應用領域：商用車CAN 總線通訊

　　挑戰(zhàn)：CAN2.0B 規(guī)范的工業(yè)總線通訊、報文標識符和數(shù)據(jù)幀定義沒有形成統(tǒng)一的標準，參數(shù)定義

　　隨意性很大。商用車CAN 總線通訊標準，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 標準制定的車速、發(fā)動機轉速、扭矩、溫度、壓力、燃油消耗量等參數(shù)的物理定

　　義，報文數(shù)據(jù)幀格式對應協(xié)議數(shù)據(jù)單元相應數(shù)據(jù)內容的封裝。面臨的挑戰(zhàn)是將J1939 協(xié)議融會貫通

　　于CAN 總線通訊平臺的設計之中。

　　應用方案：使用NI LabVIEW 軟件開發(fā)平臺和PXI 模塊化儀器系統(tǒng)中的CAN 通訊模塊，創(chuàng)建過濾

　　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(jù)此方

　　法構建CAN 通訊平臺；完成整車電環(huán)境半實物仿真、發(fā)動機臺架試驗CAN 總線信息的收發(fā)、存貯及

　　實時計算顯示。

　　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：

　　進入21 世紀以來，商用車CAN 總線網(wǎng)絡的應用得到了異常迅猛的發(fā)展?，F(xiàn)今市面上滿足國3～國5 排放標準的商用車，無一例外均應用CAN 總線網(wǎng)絡，進行整車VECU、發(fā)動機EECU、自動變速箱ECU、汽車組合儀表ECU、車輪防抱死制動ECU 之間的數(shù)據(jù)通訊。基于J1939 協(xié)議的商用車CAN總線，針對單片機微控制器MCU 節(jié)點的MCU + CAN 控制器 + CAN 收發(fā)器的CAN 通訊接口，在車載網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中得到了大量應用；而對整車道路試驗、發(fā)動機臺架試驗、整車電環(huán)境半實物仿真測試的上位機節(jié)點的PC 機或筆記本電腦 + CAN 通訊模塊，大都使用價格昂貴的Vector CANoe 模塊。

　　存在的問題：

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

　　2）CANoe 模塊時序不受PXI 儀器時鐘速率控制，無法與PXI 時序的其它測量參數(shù)同步觸發(fā)測量。

　　基于LabVIEW 和J1939 協(xié)議的CAN 總線通訊技術方法，在國內汽車行業(yè)PXI 測控裝置的應用屬于空白，難點是如何將LabVIEW 軟件開發(fā)平臺與復雜的J1939 協(xié)議有效結合，實現(xiàn)報文信息的過濾接收、合成重組及封裝發(fā)送。針對商用車CAN 總線通訊網(wǎng)絡的特點，構建基于LabVIEW 和J1939 協(xié)議的CAN 總線通訊平臺，嵌入在NI PXI 模塊化接口的測控裝置中，用于發(fā)動機臺架試驗、整車電環(huán)境半實物仿真測試。

　　J1939 協(xié)議

　　J1939 協(xié)議以CAN2.0B 規(guī)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(tǒng)，包括優(yōu)先級P、預留位R、數(shù)據(jù)頁DP、協(xié)議數(shù)據(jù)單元PF、擴展單元PS、源地址SA 和數(shù)據(jù)字節(jié)Data，如圖1 所示。這七部分在開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI）應用層，通過協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（Protocal Data Unit）被封裝成一個或多個CAN 數(shù)據(jù)幀，通過物理層發(fā)送給總線網(wǎng)絡其它設備節(jié)點。

　　圖1 J1939 數(shù)據(jù)幀格式

　　PDU 定義了數(shù)據(jù)幀中與J1939 協(xié)議相關的信息，由標識符ID 和數(shù)據(jù)場組成。

　　PDU1 格式報文PF 在0～239 之間，報文為點對點向目標地址發(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(shù)組擴展值，J1939 協(xié)議大部分報文為PDU2 格式。PDU 數(shù)據(jù)場包含參數(shù)組中數(shù)據(jù)內容，參數(shù)組編號PGN（Parameter Group Number）用于唯一標識參數(shù)組的號碼，由一個或幾個參數(shù)構成一幀或多幀報文，而參數(shù)組是應用層中定義的與某個ECU相關的若干參數(shù)（例如發(fā)動機水溫、燃油溫度等）的組合。

　　J1939 協(xié)議與CAN2.0B 標準區(qū)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(jù)制造商特定的協(xié)議使用CAN設備，在集成時會產(chǎn)生ID 不能識別或識別不一致問題。J1939 每幀報文的標識符唯一，且每幀報文都有自己的PGN，為每個節(jié)點規(guī)定唯一的源地址，并將源地址映射到CAN 標識符中，避免多個節(jié)點使用相同的標識符，例如ID：0CF00400 代表發(fā)動機轉速、扭矩報文。

　　OSI 模型：CAN2.0 規(guī)范定義了七層OSI 參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，是底層標準，如圖2所示， CAN 總線產(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輛應用的信號（參數(shù)）和報文（參數(shù)組）。通過參數(shù)描述信號，并給每個參數(shù)分配了一個編號SPN（Suspect Parameter Number），參數(shù)定義了PDU 數(shù)據(jù)場中字節(jié)的物理意義，例如SPN190 代表發(fā)動機轉速。一個PGN 中可能有幾個SPN，PGN61444 包含了SPN190 發(fā)動機轉速和SPN513 發(fā)動機扭矩等參數(shù)。多幀報文：CAN2.0B 規(guī)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，還使用對話式、廣播式多幀報文傳輸，并按多幀數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行打包封裝發(fā)送和接收合成重組處理，其中對話式多幀報文發(fā)送接收節(jié)點需要握手協(xié)議，廣播式多幀報文面向全局地址發(fā)送。

　　圖2 開放式系統(tǒng)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(shù)據(jù)鏈路層通過PDU 格式實現(xiàn)報文的打包封裝，通過CAN 控制器發(fā)送CAN 數(shù)據(jù)幀必須具有的同步、順序控制、錯誤控制和流控制，自動產(chǎn)生CRC 校驗位和ACK 應答位插入數(shù)據(jù)幀中。J1939 物理層協(xié)議規(guī)定了每個網(wǎng)段最多30 個ECU，CAN 總線通訊速率250 kBits/s，總線電平顯性、隱性，差分電壓3.5V/1.5V，差分傳輸雙絞線線纜顏色CAN-H 黃色、CAN-L 綠色，CAN 收發(fā)器完成MCU 至CAN 總線之間收發(fā)電平的匹配轉換。

　　軟件設計

　　基于J1939 協(xié)議的CAN 總線報文收發(fā)多任務處理流程，如圖3 所示，采用生產(chǎn)者/消費者循環(huán)數(shù)據(jù)結構。生產(chǎn)者循環(huán)使用“元素入隊列”函數(shù)向報文簇隊列中添加數(shù)據(jù)，消費者循環(huán)使用“元素出隊列”函數(shù)從報文簇隊列中移出數(shù)據(jù)。循環(huán)間采用隊列的方式進行通信，避免多任務處理競爭狀態(tài)，當生產(chǎn)數(shù)據(jù)比消費處理數(shù)據(jù)的速度快時，隊列的緩沖作用保證報文數(shù)據(jù)不丟失。

　　圖3 基于LabVIEW 和J1939 協(xié)議的CAN 總線通訊報文收發(fā)多任務處理

　　建立接收報文ID 解析過濾的識別方法。確定報文標識符ID 的枚舉型狀態(tài)變量識別報文，根據(jù)狀態(tài)變量條件結構過濾報文。PDU1、PDU2 格式單幀報文全部入隊列，數(shù)據(jù)場大于8 字節(jié)的對話式、廣播式多幀報文按J1939協(xié)議多幀數(shù)據(jù)合成重組后入隊列，其它無數(shù)據(jù)場的報文幀舍去，處理完的接收報文簇分解后出隊列計算、存貯和顯示。廣播幀報文接收合成，首先進行TP.CM-BAM 命令幀解析，提取EECU 發(fā)送報文的PGN 和幀數(shù)，其次對接收的TP.DT-BAM 數(shù)據(jù)幀組報文刪除幀序號，通過替換數(shù)組子集對接收報文合成重組，還原PGN 標識的數(shù)據(jù)長度大于8 字節(jié)的廣播幀報文。建立發(fā)送報文ID 解析封裝的識別方法。報文解析首先確定幀類型狀態(tài)變量，其次根據(jù)狀態(tài)變量的條件判斷，進行報文格式的封裝定義。數(shù)據(jù)場小于或等于8 字節(jié)的PDU1、PDU2 單幀發(fā)送報文直接入隊列，數(shù)據(jù)場大于8 字節(jié)的對話式、廣播式多幀報文按J1939 協(xié)議多幀數(shù)據(jù)處理打包封裝簇合成后入隊列，處理完的J1939 發(fā)送報文簇分解后出隊列并寫入CAN 口。廣播幀報文發(fā)送封裝，ID 解析將發(fā)送報文的PGN 封裝在廣播報文命令幀標識符ID-TP.CM 中，報文數(shù)組解析進行字節(jié)數(shù)和幀數(shù)計算，創(chuàng)建幀序號加報文子集的8 字節(jié)多幀數(shù)組，與數(shù)據(jù)幀標識符ID-TP.DT 打包封裝簇合成TP.DT-BAM，TP.CM-BAM 與TP.DT-BAM 組成廣播幀格式報文。

　　應用效果

　　在整車電環(huán)境的半實物仿真報文接收測試試驗中，應用圖4 所示的基于LabVIEW 和J1939 協(xié)議的CAN 總線通訊平臺，與Vector CANoe 模塊在同一時間段比對測試，接收的某型號發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況EECU 報文如圖5 所示，一秒內接收EECU 發(fā)出的526 幀報文，比對測試接收的報文無丟失現(xiàn)象。發(fā)動機燃油消耗量報文，實時反映了發(fā)動機燃油經(jīng)濟性，在商用車J1939 協(xié)議CAN 總線網(wǎng)絡中，分別被車輛VECU 接收，作為換擋控制策略控制自動變速箱汽車；組合儀表ECU 接收并實時顯示，提示駕駛員形成良好的駕駛習慣，操縱汽車達到最佳燃油經(jīng)濟性的路況行駛。為使發(fā)動機獲得最佳的動力性、經(jīng)濟性和兼顧排放達標，需要對發(fā)動機電控單元EECU 進行標定匹配，獲得最佳噴油脈寬的標定參數(shù)。標定之后做比對試驗，驗證EECU 的標定效果。發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況試驗，能夠反映車輛的等速工況；而發(fā)動機變工況瞬態(tài)試驗，能夠模擬實際道路循環(huán)中發(fā)動機狀態(tài)。通過將實時報文油耗和實際測量瞬態(tài)油耗的對比，研究兩者之間的對應吻合關系，判斷發(fā)動機EECU 的控制效果。

　?。╝）整車電環(huán)境的半實物仿真 （b）發(fā)動機臺架試驗

　　圖4 基于LabVIEW 和J1939 協(xié)議的CAN 總線通訊平臺應用

　　注：一秒內接收報文 39736 – 39210 = 526

　　圖5 發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況EECU 報文

　　圖6 發(fā)動機變工況臺架試驗油耗比對測量

　　某型號發(fā)動機十工況臺架試驗瞬態(tài)油耗比對測量曲線見圖6 所示，從J1939 協(xié)議CAN 總線接收并解析的EECU 油耗報文數(shù)據(jù)，與臺架油耗儀實測數(shù)據(jù)在發(fā)動機低負荷時存在差異，即發(fā)動機低負荷時實際噴油量較小，設定噴油量與實際噴油量的差異值較大。這個差異是因為發(fā)動機低負荷共軌軌壓波動較大，導致噴油量波動變化而客規(guī)存在。兩條曲線總體吻合一致，通過CAN 總線接收的發(fā)動機噴油目標值，與實際測量值接近，且變化趨勢和時序同步，反映了發(fā)動機EECU 標定匹配獲得了最佳噴油脈寬的目標值。

　　總結

　　基于LabVIEW 和J1939 協(xié)議的NI PXI 模塊化系統(tǒng)架構的CAN 總線通訊平臺的開發(fā)，建立了NICAN 模塊在商用車CAN 總線通訊的應用基礎，項目具有推廣和商品應用前景。在發(fā)動機臺架試驗、整車電環(huán)境半實物仿真分析中，實現(xiàn)對CAN 總線報文信息的過濾識別、合成接收、封裝發(fā)送、存貯、解析計算及實時顯示。應用LabVIEW 軟件平臺強大的數(shù)學分析運算及隊列處理能力，以及適應整車苛刻測試環(huán)境的NI PXI 儀器及CAN 接口模塊，滿足試驗工況對CAN 總線報文信息解析的功能需求，同時實現(xiàn)對報文數(shù)據(jù)與NI PXI 儀器其它測量參數(shù)同步采樣，試驗數(shù)據(jù)比對分析處理具有實時性和真實性。