現(xiàn)代汽車核心技術(shù)-CAN總線應(yīng)用層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)SAE J1939

一、技術(shù)背景

在當(dāng)今的中高檔汽車中都采用了汽車總線技術(shù)。汽車總線為汽車內(nèi)部各種復(fù)雜的電子設(shè)備、控制器、測量儀器等提供了統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換渠道。一些汽車專家認(rèn)為，就像在20世紀(jì)70年代引入集成電路、80年代引入微處理器一樣，近10年來數(shù)據(jù)總線技術(shù)的引入也將是汽車電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑。

20世紀(jì)90年代以來，汽車上由電子控制單元(ECU)控制的部件數(shù)量越來越多，例如電子燃油噴射裝置、防抱死制動(dòng)裝置、安全氣囊裝置、電控門窗裝置、主動(dòng)懸架等等。隨著集成電路和單片機(jī)在汽車上的廣泛應(yīng)用，車上的ECU數(shù)量越來越多。因此，一種新的概念--車上控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN（Controller Area Network）的概念也就應(yīng)運(yùn)而生了。CAN最早是由德國BOSCH公司為解決現(xiàn)代汽車中的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議，按照ISO有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，CAN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線式，因此也稱為CAN總線。

CAN協(xié)議中每一幀的數(shù)據(jù)量都不超過8個(gè)字節(jié)，以短幀多發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高實(shí)時(shí)性；CAN總線的糾錯(cuò)能力非常強(qiáng)，從而提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；同時(shí)CAN總線的速率可達(dá)到1M bit/s，是一個(gè)真正的高速網(wǎng)絡(luò)?？傊?，將CAN總線應(yīng)用在汽車中使用有很多優(yōu)點(diǎn)：
(1)用低成本的雙絞線電纜代替了車身內(nèi)昂貴的導(dǎo)線，并大幅度減少了用線數(shù)量；提高可靠性,安全性、降低成本。
(2)具有快速響應(yīng)時(shí)間和高可靠性，并適合對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用如剎車裝置和氣囊；控制平臺(tái)、信息平臺(tái)、駕駛平臺(tái)的互連基礎(chǔ)。
(3)CAN芯片可以抗高溫和高噪聲，并且具有較低的價(jià)格，開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

在現(xiàn)代轎車的設(shè)計(jì)中，CAN已經(jīng)成為必須采用的裝置，奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都采用了CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的手段。據(jù)報(bào)道，中國首輛CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)混合動(dòng)力轎車已在奇瑞公司試裝成功，并進(jìn)行了初步試運(yùn)行。在上海大眾的帕薩特和POLO汽車上也開始引入了CAN總線技術(shù)。但總的來說，目前CAN總線技術(shù)在我國汽車工業(yè)中的應(yīng)用尚處于試驗(yàn)和起步階段，絕大部分的汽車還沒有采用汽車總線的設(shè)計(jì)，因而存在著不少弊端。

比如，眾所周知汽車的核心設(shè)備就是發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，例如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、冷卻劑溫度等等是和汽車駕駛是緊密相關(guān)的。傳統(tǒng)汽車儀表的設(shè)計(jì)方法是：通過放置在汽車部件（如發(fā)動(dòng)機(jī)）內(nèi)部的傳感器，將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，如電壓、電流、脈沖信號(hào)，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換或計(jì)數(shù)器等，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可視的指針信號(hào)顯示在模擬儀表盤上。隨著汽車總線技術(shù)的發(fā)展，不少進(jìn)口的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)不再直接向外提供傳感器信號(hào)，而改用CAN總線通信接口。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，由于缺乏基于CAN總線的測試維修設(shè)備，目前我們的維修人員使用的方法只能是在發(fā)動(dòng)機(jī)上鉆孔，將傳感器直接放進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行測量，操作繁瑣、設(shè)備復(fù)雜，且不利于保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)。

又比如，現(xiàn)有的部分汽車儀表使用了專用的總線設(shè)計(jì)，由于硬件標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，通信協(xié)議也不兼容，為甲公司汽車生產(chǎn)的儀表完全不能在乙公司的汽車上使用，生產(chǎn)成本難以降低、故障維修很不方便。如果能將各種專用總線統(tǒng)一到CAN總線標(biāo)準(zhǔn)上來，就可以解決問題。

再比如，在手動(dòng)擋汽車中，駕駛員的換擋是依照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的，有可能發(fā)生應(yīng)該加高擋位而沒能及時(shí)加擋的情況，即低檔高速行駛，既不利于降低油耗，又容易造成汽車傳動(dòng)部件磨損。如果能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋提示，車輛就能始終保持在經(jīng)濟(jì)時(shí)速行駛。

根據(jù)ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)定義的OSI模型，CAN協(xié)議定義了物理層及數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范，這為不同的汽車廠商制定符合自身需要的應(yīng)用層協(xié)議提供了很大的便利。如果需要建立更加完善的系統(tǒng)，還需要在CAN的基礎(chǔ)上選擇合適的應(yīng)用層協(xié)議。如CANopen、SAE J1939等?！　　?/p>

J1939協(xié)議是目前在大型汽車中應(yīng)用最廣泛的應(yīng)用層協(xié)議，可達(dá)到250Kbps的通訊速率。J1939協(xié)議由美國SAE( Society of Automotive Engineer)組織維護(hù)和推廣。J1939協(xié)議具有如下特點(diǎn)：

(1)以CAN2.0B協(xié)議為基礎(chǔ)，物理層標(biāo)準(zhǔn)與ISO11898規(guī)范兼容并采用符合該規(guī)范的CAN控制器及收發(fā)器。通訊速率最高可達(dá)到250Kbps。
(2)采用PDU( Protocol Data Unit 協(xié)議數(shù)據(jù)單元)傳送信息，每個(gè)PDU相當(dāng)于CAN協(xié)議中的一幀。由于每個(gè)CAN幀最多可傳輸8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，因此PDU的傳輸具有很高的實(shí)時(shí)性。
(3)利用CAN2.0B擴(kuò)展幀格式的29位標(biāo)志符定義每一個(gè)PDU的含義以及該P(yáng)DU的優(yōu)先級(jí)。
(4)J1939協(xié)議主要作為汽車中應(yīng)用的通訊協(xié)議，對(duì)汽車中應(yīng)用到的各類參數(shù)都進(jìn)行了規(guī)定。參數(shù)的規(guī)定符合ISO11992標(biāo)準(zhǔn)。

二、J1939在國內(nèi)的發(fā)展情況

中國單片機(jī)公共實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合北京英貝多嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司以及國內(nèi)著名的汽車設(shè)計(jì)廠商，經(jīng)過兩年多的設(shè)計(jì)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了基于單芯片的J1939 網(wǎng)關(guān)芯片em2003系列產(chǎn)品。

em2003可用于汽車數(shù)字化儀表，汽車J1939網(wǎng)關(guān)，汽車多功能電控的核心單元，并通過了嚴(yán)格的可靠性測試和實(shí)際產(chǎn)品化驗(yàn)證，已投入批量生產(chǎn)。

em2003的各項(xiàng)指標(biāo)已達(dá)到了國際先進(jìn)水平，除支持SAE J1939固件外，還可支持SAE 1587，ISO9141標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車儀表的控制驅(qū)動(dòng)。在國內(nèi)是唯一實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車全液晶數(shù)字儀表的控制，步進(jìn)馬達(dá)指針儀表的控制及多功能車載傳感器信息運(yùn)行參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算信息平臺(tái)。通過了與美國、德國、意大利 J1939 發(fā)動(dòng)機(jī)的互連測試，取得了國際化的通行證。

目前，SAE J1939的技術(shù)規(guī)范及軟硬件開發(fā)測試平臺(tái)已由中國單片機(jī)公共實(shí)驗(yàn)室完成引進(jìn)消化和部分技術(shù)的國產(chǎn)化工作，并對(duì)國內(nèi)數(shù)十家汽車廠商的控制計(jì)算平臺(tái)提供技術(shù)支持和解決方案及顧問服務(wù)。如附圖所示：

圖：J1939網(wǎng)絡(luò)與LIN網(wǎng)絡(luò)仿真測試平臺(tái)

該系統(tǒng)由11個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，以J1939網(wǎng)絡(luò)為骨干，集成了現(xiàn)代汽車技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)精華。包括LINbus，GPRS/GSM（無線TCP/IP網(wǎng)），Bluetooth（藍(lán)牙），USB，及嵌入式以太網(wǎng)等最新技術(shù)。汽車的動(dòng)力部分單元是通過嵌入式硬件數(shù)字仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。各單元的簡介如下：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)ECM仿真單元：(節(jié)點(diǎn)1)
實(shí)現(xiàn)（實(shí)際）發(fā)動(dòng)機(jī)的總線仿真功能，產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)10~20種電控時(shí)實(shí)參數(shù)，模擬汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。適合汽車EMC要求。
（2）NMT/車身電控制單元（節(jié)點(diǎn)2）
可實(shí)現(xiàn)J1939/81規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)管理功能和診斷紀(jì)錄功能，發(fā)出報(bào)警控制信息，并有16個(gè)光電隔離輸出接口（50V/500mA）和8個(gè)數(shù)字信號(hào)（傳感器）輸入接口及4個(gè)模擬傳感器接口，控制功能可現(xiàn)場編程修改。適合多種汽車EMC開發(fā)要求。
（3）緩速器仿真單元：（節(jié)點(diǎn)3）
可根據(jù)汽車運(yùn)行狀態(tài)和車速控制電磁緩速器的驅(qū)動(dòng)接口。
（4）ABS仿真單元：（節(jié)點(diǎn)4）
根據(jù)汽車網(wǎng)絡(luò)綜合參數(shù)控制ABS制動(dòng)力和啟動(dòng)時(shí)間。
（5）AMT仿真單元：（節(jié)點(diǎn)5）
根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)可仿真實(shí)現(xiàn)變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)ECM的通訊。
（6）非對(duì)稱網(wǎng)橋（節(jié)點(diǎn)6）
可實(shí)現(xiàn)高速網(wǎng)（動(dòng)力系統(tǒng)）和低速網(wǎng)（儀表信息電氣控制系統(tǒng)）的流量不對(duì)稱橋接從而保證，總線負(fù)載率的安全和電氣安全。
（7）LIN BUS 網(wǎng)關(guān)（節(jié)點(diǎn)7）
實(shí)現(xiàn)LIN-BUS傳感器、電氣控制系統(tǒng)和CAN-BUS系統(tǒng)的互聯(lián)。并遵從J1939協(xié)議。
（8）J1939MFM（節(jié)點(diǎn)8）
J1939多功能汽車綜合參數(shù)儀表（汽車信息中心），可實(shí)現(xiàn)14種汽車運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示（中文LCD），可編程300~5000Km歷史車況記錄并具備故障報(bào)警信息顯示功能。適合汽車EMC要求。
（9）J1939汽車儀表（節(jié)點(diǎn)9）
實(shí)現(xiàn)J1939總線式汽車儀表?？蛇m配多種國產(chǎn)或進(jìn)口汽車儀表總成。
（10）J1939轉(zhuǎn)以太網(wǎng)/USB（網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)10）
可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)或USB接口與通用計(jì)算機(jī)連接進(jìn)入J1939網(wǎng)絡(luò),對(duì)總線負(fù)載率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,開放API接口。
（11）J1939運(yùn)行實(shí)時(shí)參數(shù)記錄（節(jié)點(diǎn)11）
接入J1939網(wǎng)絡(luò)可記錄20萬條運(yùn)行參數(shù)，用于實(shí)時(shí)分析各ECU單元的運(yùn)行情況，亦可在實(shí)際運(yùn)行的汽車中測試運(yùn)行參數(shù)，并通過GMS/GPRS網(wǎng)絡(luò)接入Internet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器?？闺娮痈蓴_能力很強(qiáng)，適合汽車EMC要求。

上述系統(tǒng)中的這些節(jié)點(diǎn)單元可組成較完善的網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境，大多數(shù)單元已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。并適合汽車EMC要求。因而可與實(shí)際的汽車電子產(chǎn)品互換連接。以此為基礎(chǔ)可組成汽車電子總線技術(shù)電控單元仿真測試平臺(tái)。配備專業(yè)測試儀器后可組建CAN-BUS實(shí)驗(yàn)室，該系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化和可擴(kuò)展性的特點(diǎn)。

北京英貝多公司通過與德國Phytec、IXXAT等公司的合作，以達(dá)到國際水平的硬件ECU為核心，開發(fā)并集成了J1939網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真平臺(tái)V1.0版本。

該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)按照J(rèn)1939的物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層規(guī)定在12個(gè)節(jié)點(diǎn)下（總線負(fù)載率最大為30%條件下）連續(xù)工作已超過10000小時(shí)。并按照J(rèn)1939/71車輛應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)完成了對(duì)MFM/J1939多功能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品化測試及總線型數(shù)字汽車儀表的測試。

三、技術(shù)展望

現(xiàn)代汽車是一個(gè)智能化網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺(tái)。汽車網(wǎng)絡(luò)貫穿整車的每個(gè)單元即控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、駕駛系統(tǒng)和傳感執(zhí)行系統(tǒng)均由控制局域網(wǎng)CAN-BUS互連，掌握應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)并開發(fā)嵌入式軟件是關(guān)鍵技術(shù)。

將車內(nèi)的控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)如故障信息檢測系統(tǒng)，車況自動(dòng)紀(jì)錄系統(tǒng)，實(shí)時(shí)駕駛信息顯示系統(tǒng)（智能化數(shù)字儀表）與嵌入式因特網(wǎng)互連（支持IPv4及IPv6）,使每個(gè)汽車有一個(gè)Web網(wǎng)頁，將會(huì)是今后汽車計(jì)算平臺(tái)的關(guān)鍵核心技術(shù)。