現代汽車(chē)核心技術(shù)-CAN總線(xiàn)應用層協(xié)議標準SAE J193

一、技術(shù)背景

在當今的中高檔汽車(chē)中都采用了汽車(chē)總線(xiàn)技術(shù)。汽車(chē)總線(xiàn)為汽車(chē)內部各種復雜的電子設備、控制器、測量?jì)x器等提供了統一數據交換渠道。一些汽車(chē)專(zhuān)家認為，就像在20世紀70年代引入集成電路、80年代引入微處理器一樣，近10年來(lái)數據總線(xiàn)技術(shù)的引入也將是汽車(chē)電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑。

20世紀90年代以來(lái)，汽車(chē)上由電子控制單元(ECU)控制的部件數量越來(lái)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(mén)窗裝置、主動(dòng)懸架等等。隨著(zhù)集成電路和單片機在汽車(chē)上的廣泛應用，車(chē)上的ECU數量越來(lái)越多。因此，一種新的概念--車(chē)上控制器局域網(wǎng)絡(luò )CAN（Controller Area Network）的概念也就應運而生了。CAN最早是由德國B(niǎo)OSCH公司為解決現代汽車(chē)中的控制與測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種數據通信協(xié)議，按照ISO有關(guān)標準，CAN的拓撲結構為總線(xiàn)式，因此也稱(chēng)為CAN總線(xiàn)。

CAN協(xié)議中每一幀的數據量都不超過(guò)8個(gè)字節，以短幀多發(fā)的方式實(shí)現數據的高實(shí)時(shí)性；CAN總線(xiàn)的糾錯能力非常強，從而提高數據的準確性；同時(shí)CAN總線(xiàn)的速率可達到1M bit/s，是一個(gè)真正的高速網(wǎng)絡(luò )?？傊?，將CAN總線(xiàn)應用在汽車(chē)中使用有很多優(yōu)點(diǎn)：

(1)用低成本的雙絞線(xiàn)電纜代替了車(chē)身內昂貴的導線(xiàn)，并大幅度減少了用線(xiàn)數量；提高可靠性,安全性、降低成本。

(2)具有快速響應時(shí)間和高可靠性，并適合對實(shí)時(shí)性要求較高的應用如剎車(chē)裝置和氣囊；控制平臺、信息平臺、駕駛平臺的互連基礎。

(3)CAN芯片可以抗高溫和高噪聲，并且具有較低的價(jià)格，開(kāi)放的工業(yè)標準。

在現代轎車(chē)的設計中，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(chē)都采用了CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的手段。據報道，中國首輛CAN網(wǎng)絡(luò )系統混合動(dòng)力轎車(chē)已在奇瑞公司試裝成功，并進(jìn)行了初步試運行。在上海大眾的帕薩特和POLO汽車(chē)上也開(kāi)始引入了CAN總線(xiàn)技術(shù)。但總的來(lái)說(shuō)，目前CAN總線(xiàn)技術(shù)在我國汽車(chē)工業(yè)中的應用尚處于試驗和起步階段，絕大部分的汽車(chē)還沒(méi)有采用汽車(chē)總線(xiàn)的設計，因而存在著(zhù)不少弊端。

比如，眾所周知汽車(chē)的核心設備就是發(fā)動(dòng)機，發(fā)動(dòng)機的運行參數，例如發(fā)動(dòng)機轉速、機油壓力、冷卻劑溫度等等是和汽車(chē)駕駛是緊密相關(guān)的。傳統汽車(chē)儀表的設計方法是：通過(guò)放置在汽車(chē)部件（如發(fā)動(dòng)機）內部的傳感器，將機械信號轉換成電信號，如電壓、電流、脈沖信號，再經(jīng)過(guò)D/A轉換或計數器等，將電信號轉換成可視的指針信號顯示在模擬儀表盤(pán)上。隨著(zhù)汽車(chē)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，不少進(jìn)口的發(fā)動(dòng)機已經(jīng)不再直接向外提供傳感器信號，而改用CAN總線(xiàn)通信接口。一旦發(fā)動(dòng)機出現故障時(shí)，由于缺乏基于CAN總線(xiàn)的測試維修設備，目前我們的維修人員使用的方法只能是在發(fā)動(dòng)機上鉆孔，將傳感器直接放進(jìn)發(fā)動(dòng)機內部進(jìn)行測量，操作繁瑣、設備復雜，且不利于保護發(fā)動(dòng)機的整體結構。

又比如，現有的部分汽車(chē)儀表使用了專(zhuān)用的總線(xiàn)設計，由于硬件標準不統一，通信協(xié)議也不兼容，為甲公司汽車(chē)生產(chǎn)的儀表完全不能在乙公司的汽車(chē)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(zhuān)用總線(xiàn)統一到CAN總線(xiàn)標準上來(lái)，就可以解決問(wèn)題。

再比如，在手動(dòng)擋汽車(chē)中，駕駛員的換擋是依照經(jīng)驗進(jìn)行的，有可能發(fā)生應該加高擋位而沒(méi)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(chē)傳動(dòng)部件磨損。如果能實(shí)現自動(dòng)換擋提示，車(chē)輛就能始終保持在經(jīng)濟時(shí)速行駛。

根據ISO(國際標準化組織)定義的OSI模型，CAN協(xié)議定義了物理層及數據鏈路層規范，這為不同的汽車(chē)廠(chǎng)商制定符合自身需要的應用層協(xié)議提供了很大的便利。如果需要建立更加完善的系統，還需要在CAN的基礎上選擇合適的應用層協(xié)議。如CANopen、SAE J1939等?！　　?/p>

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

(1)以CAN2.0B協(xié)議為基礎，物理層標準與ISO11898規范兼容并采用符合該規范的CAN控制器及收發(fā)器。通訊速率最高可達到250Kbps。

(2)采用PDU( Protocol Data Unit 協(xié)議數據單元)傳送信息，每個(gè)PDU相當于CAN協(xié)議中的一幀。由于每個(gè)CAN幀最多可傳輸8個(gè)字節數據，因此PDU的傳輸具有很高的實(shí)時(shí)性。

(3)利用CAN2.0B擴展幀格式的29位標志符定義每一個(gè)PDU的含義以及該PDU的優(yōu)先級。

(4)J1939協(xié)議主要作為汽車(chē)中應用的通訊協(xié)議，對汽車(chē)中應用到的各類(lèi)參數都進(jìn)行了規定。參數的規定符合ISO11992標準。

二、J1939在國內的發(fā)展情況

中國單片機公共實(shí)驗室聯(lián)合北京英貝多嵌入式網(wǎng)絡(luò )技術(shù)有限公司以及國內著(zhù)名的汽車(chē)設計廠(chǎng)商，經(jīng)過(guò)兩年多的設計開(kāi)發(fā)，實(shí)現了基于單芯片的J1939 網(wǎng)關(guān)芯片em2003系列產(chǎn)品。

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

em2003的各項指標已達到了國際先進(jìn)水平，除支持SAE J1939固件外，還可支持SAE 1587，ISO9141標準，實(shí)現對汽車(chē)儀表的控制驅動(dòng)。在國內是唯一實(shí)現了對汽車(chē)全液晶數字儀表的控制，步進(jìn)馬達指針儀表的控制及多功能車(chē)載傳感器信息運行參數的網(wǎng)絡(luò )計算信息平臺。通過(guò)了與美國、德國、意大利 J1939 發(fā)動(dòng)機的互連測試，取得了國際化的通行證。

目前，SAE J1939的技術(shù)規范及軟硬件開(kāi)發(fā)測試平臺已由中國單片機公共實(shí)驗室完成引進(jìn)消化和部分技術(shù)的國產(chǎn)化工作，并對國內數十家汽車(chē)廠(chǎng)商的控制計算平臺提供技術(shù)支持和解決方案及顧問(wèn)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

該系統由11個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)組成，以J1939網(wǎng)絡(luò )為骨干，集成了現代汽車(chē)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )精華。包括LINbus，GPRS/GSM（無(wú)線(xiàn)TCP/IP網(wǎng)），Bluetooth（藍牙），USB，及嵌入式以太網(wǎng)等最新技術(shù)。汽車(chē)的動(dòng)力部分單元是通過(guò)嵌入式硬件數字仿真技術(shù)實(shí)現的。各單元的簡(jiǎn)介如下：

（1）發(fā)動(dòng)機ECM仿真單元：(節點(diǎn)1)

實(shí)現（實(shí)際）發(fā)動(dòng)機的總線(xiàn)仿真功能，產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機10~20種電控時(shí)實(shí)參數，模擬汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的實(shí)際運行狀態(tài)。適合汽車(chē)EMC要求。

（2）NMT/車(chē)身電控制單元（節點(diǎn)2）

可實(shí)現J1939/81規定的網(wǎng)絡(luò )管理功能和診斷紀錄功能，發(fā)出報警控制信息，并有16個(gè)光電隔離輸出接口（50V/500mA）和8個(gè)數字信號（傳感器）輸入接口及4個(gè)模擬傳感器接口，控制功能可現場(chǎng)編程修改。適合多種汽車(chē)EMC開(kāi)發(fā)要求。

（3）緩速器仿真單元：（節點(diǎn)3）

可根據汽車(chē)運行狀態(tài)和車(chē)速控制電磁緩速器的驅動(dòng)接口。

（4）ABS仿真單元：（節點(diǎn)4）

根據汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )綜合參數控制ABS制動(dòng)力和啟動(dòng)時(shí)間。

（5）AMT仿真單元：（節點(diǎn)5）

根據設計參數可仿真實(shí)現變速箱與發(fā)動(dòng)機ECM的通訊。

（6）非對稱(chēng)網(wǎng)橋（節點(diǎn)6）

可實(shí)現高速網(wǎng)（動(dòng)力系統）和低速網(wǎng)（儀表信息電氣控制系統）的流量不對稱(chēng)橋接從而保證，總線(xiàn)負載率的安全和電氣安全。

（7）LIN BUS 網(wǎng)關(guān)（節點(diǎn)7）

實(shí)現LIN-BUS傳感器、電氣控制系統和CAN-BUS系統的互聯(lián)。并遵從J1939協(xié)議。

（8）J1939MFM（節點(diǎn)8）

J1939多功能汽車(chē)綜合參數儀表（汽車(chē)信息中心），可實(shí)現14種汽車(chē)運行參數的實(shí)時(shí)顯示（中文LCD），可編程300~5000Km歷史車(chē)況記錄并具備故障報警信息顯示功能。適合汽車(chē)EMC要求。

（9）J1939汽車(chē)儀表（節點(diǎn)9）

實(shí)現J1939總線(xiàn)式汽車(chē)儀表?？蛇m配多種國產(chǎn)或進(jìn)口汽車(chē)儀表總成。

（10）J1939轉以太網(wǎng)/USB（網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)10）

可實(shí)現以太網(wǎng)或USB接口與通用計算機連接進(jìn)入J1939網(wǎng)絡(luò ),對總線(xiàn)負載率進(jìn)行統計分析,開(kāi)放API接口。

（11）J1939運行實(shí)時(shí)參數記錄（節點(diǎn)11）

接入J1939網(wǎng)絡(luò )可記錄20萬(wàn)條運行參數，用于實(shí)時(shí)分析各ECU單元的運行情況，亦可在實(shí)際運行的汽車(chē)中測試運行參數，并通過(guò)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，適合汽車(chē)EMC要求。

上述系統中的這些節點(diǎn)單元可組成較完善的網(wǎng)絡(luò )測試環(huán)境，大多數單元已實(shí)現產(chǎn)品化。并適合汽車(chē)EMC要求。因而可與實(shí)際的汽車(chē)電子產(chǎn)品互換連接。以此為基礎可組成汽車(chē)電子總線(xiàn)技術(shù)電控單元仿真測試平臺。配備專(zhuān)業(yè)測試儀器后可組建CAN-BUS實(shí)驗室，該系統具有標準化和可擴展性的特點(diǎn)。

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

該網(wǎng)絡(luò )系統按照J1939的物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò )層規定在12個(gè)節點(diǎn)下（總線(xiàn)負載率最大為30%條件下）連續工作已超過(guò)10000小時(shí)。并按照J1939/71車(chē)輛應用層標準完成了對MFM/J1939多功能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品化測試及總線(xiàn)型數字汽車(chē)儀表的測試。

三、技術(shù)展望

現代汽車(chē)是一個(gè)智能化網(wǎng)絡(luò )計算平臺。汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )貫穿整車(chē)的每個(gè)單元即控制系統、信息系統、駕駛系統和傳感執行系統均由控制局域網(wǎng)CAN-BUS互連，掌握應用層網(wǎng)絡(luò )標準并開(kāi)發(fā)嵌入式軟件是關(guān)鍵技術(shù)。

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