基于LabVIEW和J1939協(xié)議的CAN總線(xiàn)通訊平臺開(kāi)發(fā)

應用領(lǐng)域：商用車(chē)CAN 總線(xiàn)通訊

挑戰：CAN2.0B 規范的工業(yè)總線(xiàn)通訊、報文標識符和數據幀定義沒(méi)有形成統一的標準，參數定義隨意性很大。商用車(chē)CAN 總線(xiàn)通訊標準，遵循建立在CAN2.0B 基礎上的SAE J1939 協(xié)議。報文標識符ID，按照SAE 標準制定的車(chē)速、發(fā)動(dòng)機轉速、扭矩、溫度、壓力、燃油消耗量等參數的物理定義，報文數據幀格式對應協(xié)議數據單元相應數據內容的封裝。面臨的挑戰是將J1939 協(xié)議融會(huì )貫通于CAN 總線(xiàn)通訊平臺的設計之中。

應用方案：使用NI LabVIEW 軟件開(kāi)發(fā)平臺和PXI 模塊化儀器系統中的CAN 通訊模塊，創(chuàng )建過(guò)濾識別J1939 協(xié)議報文標識符ID 及多幀報文按協(xié)議格式解析接收和封裝發(fā)送的設計方法，并據此方法構建CAN 通訊平臺;完成整車(chē)電環(huán)境半實(shí)物仿真、發(fā)動(dòng)機臺架試驗CAN 總線(xiàn)信息的收發(fā)、存貯及實(shí)時(shí)計算顯示。

使用的產(chǎn)品：

LabVIEW2009 軟件平臺

PXI-1045 機箱

PXI-8108 嵌入式控制器

PXI-8464/2 CAN 通訊模塊

概述：

進(jìn)入21 世紀以來(lái)，商用車(chē)CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的應用得到了異常迅猛的發(fā)展?，F今市面上滿(mǎn)足國3～國5 排放標準的商用車(chē)，無(wú)一例外均應用CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行整車(chē)VECU、發(fā)動(dòng)機EECU、自動(dòng)變速箱ECU、汽車(chē)組合儀表ECU、車(chē)輪防抱死制動(dòng)ECU 之間的數據通訊?；贘1939 協(xié)議的商用車(chē)CAN總線(xiàn)，針對單片機微控制器MCU 節點(diǎn)的MCU + CAN 控制器 + CAN 收發(fā)器的CAN 通訊接口，在車(chē)載網(wǎng)絡(luò )控制系統中得到了大量應用;而對整車(chē)道路試驗、發(fā)動(dòng)機臺架試驗、整車(chē)電環(huán)境半實(shí)物仿真測試的上位機節點(diǎn)的PC 機或筆記本電腦 + CAN 通訊模塊，大都使用價(jià)格昂貴的Vector CANoe 模塊。

存在的問(wèn)題：

1)PXI 測控裝置無(wú)基于J1939 協(xié)議的CAN 通訊功能，不能滿(mǎn)足試驗工況對CAN 總線(xiàn)報文信息分析的功能需求。

2)CANoe 模塊時(shí)序不受PXI 儀器時(shí)鐘速率控制，無(wú)法與PXI 時(shí)序的其它測量參數同步觸發(fā)測量。

基于LabVIEW 和J1939 協(xié)議的CAN 總線(xiàn)通訊技術(shù)方法，在國內汽車(chē)行業(yè)PXI 測控裝置的應用屬于空白，難點(diǎn)是如何將LabVIEW 軟件開(kāi)發(fā)平臺與復雜的J1939 協(xié)議有效結合，實(shí)現報文信息的過(guò)濾接收、合成重組及封裝發(fā)送。

針對商用車(chē)CAN 總線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，構建基于LabVIEW 和J1939 協(xié)議的CAN 總線(xiàn)通訊平臺，嵌入在NI PXI 模塊化接口的測控裝置中，用于發(fā)動(dòng)機臺架試驗、整車(chē)電環(huán)境半實(shí)物仿真測試。

J1939 協(xié)議

J1939 協(xié)議以CAN2.0B 規范為基礎制定，對CAN2.0B 擴展幀29 位標識符ID 定義形成J1939 的編碼系統，包括優(yōu)先級P、預留位R、數據頁(yè)DP、協(xié)議數據單元PF、擴展單元PS、源地址SA 和數據字節Data，如圖1 所示。這七部分在開(kāi)放式系統互聯(lián)參考模型(OSI)應用層，通過(guò)協(xié)議數據單元PDU(Protocal Data Unit)被封裝成一個(gè)或多個(gè)CAN 數據幀，通過(guò)物理層發(fā)送給總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )其它設備節點(diǎn)。

圖1 J1939 數據幀格式

PDU 定義了數據幀中與J1939 協(xié)議相關(guān)的信息，由標識符ID 和數據場(chǎng)組成。

PDU1 格式報文PF 在0～239 之間，報文為點(diǎn)對點(diǎn)向目標地址發(fā)送，PS：報文接收的目標地址，SA：報文發(fā)送的源地址，在目標地址中填入255，為全局地址發(fā)送。

PDU2 格式報文PF 在240～255 之間，報文向全局地址發(fā)送，PS：參數組擴展值，J1939 協(xié)議大部分報文為PDU2 格式。

PDU 數據場(chǎng)包含參數組中數據內容，參數組編號PGN(Parameter Group Number)用于唯一標識參數組的號碼，由一個(gè)或幾個(gè)參數構成一幀或多幀報文，而參數組是應用層中定義的與某個(gè)ECU相關(guān)的若干參數(例如發(fā)動(dòng)機水溫、燃油溫度等)的組合。

J1939 協(xié)議與CAN2.0B 標準區別

標識符ID：CAN2.0B 不同功能的報文信息可以使用相同的ID，根據制造商特定的協(xié)議使用CAN設備，在集成時(shí)會(huì )產(chǎn)生ID 不能識別或識別不一致問(wèn)題。J1939 每幀報文的標識符唯一，且每幀報文都有自己的PGN，為每個(gè)節點(diǎn)規定唯一的源地址，并將源地址映射到CAN 標識符中，避免多個(gè)節點(diǎn)使用相同的標識符，例如ID：0CF00400 代表發(fā)動(dòng)機轉速、扭矩報文。

OSI 模型：CAN2.0 規范定義了七層OSI 參考模型的物理層和數據鏈路層，是底層標準，如圖2所示， CAN 總線(xiàn)產(chǎn)品的兼容性、互換性和可集成性差。J1939 是面向OSI 參考模型應用層的高層協(xié)議，在應用層定義了針對車(chē)輛應用的信號(參數)和報文(參數組)。通過(guò)參數描述信號，并給每個(gè)參數分配了一個(gè)編號SPN(Suspect Parameter Number)，參數定義了PDU 數據場(chǎng)中字節的物理意義，例如SPN190 代表發(fā)動(dòng)機轉速。一個(gè)PGN 中可能有幾個(gè)SPN，PGN61444 包含了SPN190 發(fā)動(dòng)機轉速和SPN513 發(fā)動(dòng)機扭矩等參數。

多幀報文：CAN2.0B 規范定義只能使用單幀報文傳輸，J1939 協(xié)議除單幀報文傳輸外，還使用對話(huà)式、廣播式多幀報文傳輸，并按多幀數據傳輸協(xié)議進(jìn)行打包封裝發(fā)送和接收合成重組處理，其中對話(huà)式多幀報文發(fā)送接收節點(diǎn)需要握手協(xié)議，廣播式多幀報文面向全局地址發(fā)送。

圖2 開(kāi)放式系統互聯(lián)參考模型(OSI)

模塊接口

PXI-8464/2 雙通道CAN2.0B 通訊接口模塊，內含SJA1000T CAN 控制器和TJA1041T 高速CAN收發(fā)器及TJA1054AT 低速CAN 收發(fā)器。J1939 數據鏈路層通過(guò)PDU 格式實(shí)現報文的打包封裝，通過(guò)CAN 控制器發(fā)送CAN 數據幀必須具有的同步、順序控制、錯誤控制和流控制，自動(dòng)產(chǎn)生CRC 校驗位和ACK 應答位插入數據幀中。

J1939 物理層協(xié)議規定了每個(gè)網(wǎng)段最多30 個(gè)ECU，CAN 總線(xiàn)通訊速率250 kBits/s，總線(xiàn)電平顯性、隱性，差分電壓3.5V/1.5V，差分傳輸雙絞線(xiàn)線(xiàn)纜顏色CAN-H 黃色、CAN-L 綠色，CAN 收發(fā)器完成MCU 至CAN 總線(xiàn)之間收發(fā)電平的匹配轉換。