基于J1939的汽車(chē)CAN總線(xiàn)教學(xué)實(shí)驗系統

　　隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)上越來(lái)越多地采用了各種復雜的電子設備。為了提高信號的利用率，要求大量的數據信息能在不同的ECU中共享，大量的控制信號能夠實(shí)時(shí)交換， 而傳統線(xiàn)束已遠遠不能滿(mǎn)足這種需求。CAN總線(xiàn)和基于它的車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )通信標準提供了解決上述問(wèn)題的途徑。[1] SAE J1939協(xié)議是美國汽車(chē)工程師協(xié)會(huì )發(fā)布的以CAN總線(xiàn)為核心的車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )串行通訊和控制協(xié)議，供卡車(chē)及其拖車(chē)、大客車(chē)、建筑設備以及農業(yè)設備使用，是用來(lái)支持分布在車(chē)輛各個(gè)不同位置的電控單元之間實(shí)現實(shí)時(shí)閉環(huán)控制功能的高速通信標準，數據傳輸速率為250Kb/s，通信物理層和數據鏈路層以CAN2.0為基礎，并定義了網(wǎng)絡(luò )層和應用層的協(xié)議。[2-3]

　　針對J1939協(xié)議教學(xué)和培訓要求，構建了一個(gè)基于J1939協(xié)議的汽車(chē)教學(xué)實(shí)驗系統。系統實(shí)時(shí)監控汽車(chē)CAN總線(xiàn)的數據并能完整記錄、顯示波形和打印。

　　1  系統原理及硬件結構

　　1.1系統原理

　　系統中，CAN總線(xiàn)模塊系統通過(guò)CAN總線(xiàn)分析儀與計算機通訊，實(shí)行數據采集和傳輸，用于教學(xué)和培訓。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗操作，直觀(guān)了解數據收發(fā)，掌握CAN總線(xiàn)和J1939協(xié)議的特點(diǎn)，理解物理層、數據鏈路層和應用層的含義和作用，最后進(jìn)行系統開(kāi)發(fā)。

　　CAN總線(xiàn)模塊系統能采集卡車(chē)道路行駛狀態(tài)數據，同時(shí)能控制車(chē)燈、門(mén)窗電機、電磁閥等功率設備。其中，儀表板模塊通過(guò)與車(chē)身通用控制模塊、車(chē)窗控制模塊進(jìn)行CAN通訊，采集車(chē)輛開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)LED燈、液晶屏、轉盤(pán)指針顯示整車(chē)狀態(tài)、故障信息、報警信息等各種信息，實(shí)現人機交互，對卡車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

　　1.2  系統硬件組成

　　系統包括3個(gè)部分：基于J1939的汽車(chē)CAN總線(xiàn)模塊系統，包括儀表板模塊、車(chē)身通用模塊、車(chē)身專(zhuān)用模塊（車(chē)窗控制模塊）；CAN總線(xiàn)分析儀，包括由基于USB的Kvaser USB CANⅡ總線(xiàn)適配器和軟件Warwick X-Analyser組成；筆記本電腦（計算機）。

　　系統硬件結構示意圖，如圖1所示：

圖1  系統硬件結構圖

　　2  系統硬件

　　基于J1939的汽車(chē)CAN總線(xiàn)模塊系統中，儀表板具有整車(chē)參數的顯示、存儲，與發(fā)動(dòng)機ECU通信的功能，同時(shí)實(shí)現對負載的過(guò)程控制，根據儀表板上的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及連接在車(chē)身通用控制模塊的開(kāi)關(guān)和傳感器狀態(tài)，產(chǎn)生功率輸出，并與車(chē)身通用控制模塊通訊；車(chē)身通用控制模塊負責將所屬區域的開(kāi)關(guān)和傳感器狀態(tài)通過(guò)CAN總線(xiàn)反饋給儀表板模塊，并接收控制指令，驅動(dòng)功率輸出接口實(shí)現通斷控制。

　　實(shí)車(chē)上的儀表板控制器位于駕駛室司機座位正前方；前部控制模塊位于駕駛室司機座位與副駕駛座位之間的操作臺下；車(chē)身通用模塊位于車(chē)架上；車(chē)窗控制模塊位于駕駛室司機座位與副駕駛座位之間的操作臺下。

　　2.1  儀表板模塊

　　儀表板模塊可以數字化顯示車(chē)輛行駛速度、油量、水溫、氣壓和發(fā)動(dòng)機轉速等參數。儀表板模塊可以提供可編程圖標顯示功能，如當車(chē)速大于3Km/h而車(chē)門(mén)未關(guān)好時(shí)，在最下行顯示提示信息“請關(guān)閉車(chē)門(mén)”，關(guān)好車(chē)門(mén)后，該信息消失。具有9個(gè)高亮度LED符號指示燈；具有故障診斷功能，能夠對總線(xiàn)狀態(tài)、電氣負載短路/斷路狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，出現故障后以中文信息顯示；能夠獲取、顯示、存儲發(fā)動(dòng)機相關(guān)參數；液晶屏可實(shí)時(shí)顯示整車(chē)當前狀態(tài)信息；具有48路非隔離開(kāi)關(guān)量輸入，6路電阻型模擬量輸入，3路模塊地址線(xiàn)輸入，1路ACC檔開(kāi)關(guān)輸入，1路一線(xiàn)式溫度傳感器輸入，4路控地型系統喚醒信號輸入；6路高端開(kāi)關(guān)輸出，1路常有電功率輸出，2路ACC檔電源輸出，3路B7信號輸出，1路里程傳感器仿真信號輸出，3路休眠信號輸出。

　　2.2  車(chē)身通用控制模塊

　　車(chē)身通用控制模塊具有12路非隔離開(kāi)關(guān)量輸入，1路脈沖量輸入，1路帶勵磁電流供應的充電指示檢測輸入；4路電阻型模擬量輸入，4路模塊地址線(xiàn)輸入。具有11路高端開(kāi)關(guān)輸出， 2路常有電功率輸出，1路帶反向電流防護的功率輸出，模塊具有安全運行模式。

　　車(chē)身通用控制模塊測量車(chē)輛行駛速度以及行程、發(fā)動(dòng)機轉速、燃油量、發(fā)動(dòng)機水溫、前后橋氣壓、發(fā)動(dòng)機機油壓力報警、左右轉向控制與顯示等。

　　2.3  車(chē)窗控制模塊

　　車(chē)窗控制模塊支持433 MHz、868 MHz和915 MHz通信頻率；2路大功率全橋電機驅動(dòng)通道；4路大功率高端開(kāi)關(guān)輸出通道；12路開(kāi)關(guān)量輸入接口；具有短路、過(guò)壓、過(guò)熱保護功能；具有車(chē)窗驅動(dòng)的防夾功能；具有功率接口故障診斷功能。

　　輸入接口有24路非隔離開(kāi)關(guān)量輸入和4路模塊地址線(xiàn)輸入。輸出接口有4路高端開(kāi)關(guān)輸出、2路常有電功率輸出和8路全橋開(kāi)關(guān)輸出。

　　2.4  CAN總線(xiàn)分析儀

　　Kvaser USB-CAN Ⅱ是基于USB的雙通 道CAN總線(xiàn)分析儀，一個(gè)通道用于測量高速CAN信號，另一個(gè)通道可用于測量高速CAN、低速CAN或單線(xiàn)CAN。本系統采用雙通道高速CAN分析儀（兼容ISO 11898，收發(fā)器為T(mén)JA1050）。

　　主要特點(diǎn)：安裝快速、簡(jiǎn)易，即插即用；支持11位標識符的標準幀和29位標識符的擴展幀。每個(gè)CAN消息均標有10μs精度的時(shí)間標簽。自動(dòng)開(kāi)關(guān)電源為CAN（初級）、USB（次級）供電，減少筆記本的電源消耗。支持分析工具的“只聽(tīng)”模式。

　　支持主要的操作系統Windows、WinCE和Linux。應用支持Kvaser CanKing、Warwick XA、ATI Apollo、National Instruments（NI） LabVIEW、NI DIAdem等應用軟件。