基于SAE J1939協(xié)議的發(fā)動(dòng)機(jī)模擬系統(tǒng)開發(fā)

1 引言
    CAN總線以其優(yōu)異性能在汽車局域網(wǎng)中占有重要地位。IS011992，IS011783以及SAE J1939都是基于CAN總線的汽車系統(tǒng)通訊協(xié)議，其中SAE J1939性能最好，是目前大型車輛采用最多的一種通信協(xié)議。分析研究SAE J1939協(xié)議，有助于推進(jìn)CAN通信總線在國內(nèi)汽車通信中的應(yīng)用，并對制定上層協(xié)議具有重要意義。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)正是基于對SAE J1939的應(yīng)用層的理解，利用軟件編程，模擬發(fā)送發(fā)動(dòng)機(jī)信息，從而為總線儀表硬件設(shè)計(jì)提供良好的測試環(huán)境。

2 SAE J1939協(xié)議概述
    SAE J1939標(biāo)準(zhǔn)是美國汽車工程師協(xié)會(Societv of Auto—motive Engineers，簡稱SAE)發(fā)布的以CAN總線為核心的車輛網(wǎng)絡(luò)串行通訊和控制協(xié)議，SAE J1939協(xié)議以CAN2．0B協(xié)議為基礎(chǔ)，通訊速率最高可達(dá)250 Kb／s。它對汽車內(nèi)部ECU的地址配置、命名、通訊方式以及報(bào)文發(fā)送優(yōu)先級等都給出明確規(guī)定，并且詳細(xì)說明汽車內(nèi)部各個(gè)共體的ECU通訊。SAE J1939應(yīng)用層協(xié)議詳細(xì)描述了SAE J1939網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，包括數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)類型、分辨率、范圍及參考標(biāo)簽，并為每個(gè)參數(shù)分配一個(gè)編號(SPN)。采用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(ProtocolData Unit，簡稱PDU)傳送信息，每個(gè)PDU相當(dāng)于CAN協(xié)議的一幀。SAE J1939是傳輸數(shù)據(jù)協(xié)議，其功能分為數(shù)據(jù)的拆分打包和重組連接管理兩部分。PDU是由29位標(biāo)識符和0～8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)組成，如圖1所示。SAE J1939利用29位標(biāo)識符(CAN擴(kuò)展幀)提供一種完整的網(wǎng)絡(luò)定義。圖1中，P位確定報(bào)文優(yōu)先級的前3位；R為保留位；DP是數(shù)據(jù)頁位：PF場識別2個(gè)PDI格式(PDUl，PDU2)；替代遠(yuǎn)程請求位SRR和標(biāo)識符擴(kuò)展位IDE，未包含在PDU內(nèi)；PS場由PF值決定其包含一個(gè)目標(biāo)地址(DA)還是包含一個(gè)對PDU格式PF的組擴(kuò)展(GE)；SA為源地址。

    SAE J1939采用多路復(fù)用技術(shù)為汽車的各種傳感器、執(zhí)行器和控制器提供在CAN總線基礎(chǔ)上建立的標(biāo)準(zhǔn)化高速網(wǎng)絡(luò)連接，從而在車載電子裝置之間實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)共享，有效減少電子線束數(shù)量，提高車輛電子控制系統(tǒng)的靈活性、可靠性、可維修性和標(biāo)準(zhǔn)化程度，最大限度發(fā)揮CAN優(yōu)異性能。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    發(fā)動(dòng)機(jī)模擬系統(tǒng)通過USB CAN一Ⅱ智能接口向總線儀表CAN接口卡傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)總線儀表通過USBCAN-Ⅱ接口卡應(yīng)答模擬系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)C#環(huán)境下開發(fā)，Windows平臺上運(yùn)行。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)報(bào)文、發(fā)動(dòng)機(jī)故障報(bào)文、發(fā)動(dòng)機(jī)儀表測試等主要功能模塊，以及單幀或多幀可選的發(fā)送方式。通過調(diào)用USBCAN一Ⅱ接口卡庫端口函數(shù)，利用CAN總線傳輸實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊，模擬發(fā)送發(fā)動(dòng)機(jī)各種參數(shù)，如冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度、機(jī)油壓力等，還可利用虛擬儀表評估總線儀表步進(jìn)電機(jī)的誤差。

    USB CAN-Ⅱ雙路智能CAN接口卡具有2個(gè)CAN通道(汽車型)。它采用16位微控制器，具有強(qiáng)大功能，支持即插即用。板上16位微控制器能夠控制CAN控制器的發(fā)送和接收任務(wù)，即使在總線負(fù)載較重的情況下，仍可有效支持帶有時(shí)間標(biāo)志的CAN報(bào)文的過濾、預(yù)處理和存儲以及CAN報(bào)文的實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ?。通過編程調(diào)用USB CAN一Ⅱ輔助的通用CAN—bus接口函數(shù)庫，能有效支持CAN系統(tǒng)基于PC的應(yīng)用。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

    C#調(diào)用接口庫函數(shù)的方法：(1)將庫函數(shù)文件置于工作目錄下；(2)聲明using System．Runtime．InteropServices；(3)聲明ZLGCAN系列接口卡信息的數(shù)據(jù)類型；(4)導(dǎo)入，以打開設(shè)備函數(shù)為例，其他功能函數(shù)引用與之類似。打開設(shè)備函數(shù)為：

4 發(fā)動(dòng)機(jī)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)按功能分為發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)報(bào)文、發(fā)動(dòng)機(jī)故障報(bào)文、發(fā)動(dòng)機(jī)儀表測試。為了便于單獨(dú)使用各個(gè)功能界面，采用復(fù)合界面形式。其運(yùn)行界面如圖4所示。

4．1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)報(bào)文發(fā)送模塊
    該模塊是類比現(xiàn)場測試的一組數(shù)據(jù)，按照適用于BOSCH高壓共軌系統(tǒng)的歐III發(fā)動(dòng)機(jī)基于SAE J1939的CAN通訊規(guī)范，將幀ID與代表發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的數(shù)據(jù)字節(jié)位置相對應(yīng)，同時(shí)可通過修改相關(guān)字節(jié)，改變所要發(fā)送的參數(shù)值。
    若想發(fā)送轉(zhuǎn)速2 000 r／m，數(shù)據(jù)在報(bào)文的第4、5字節(jié)。發(fā)送數(shù)據(jù)的第4、5字節(jié)為2 000／0．125=16 000轉(zhuǎn)化為兩字節(jié)，注意高字節(jié)置于第5字節(jié)，低字節(jié)置于第4字節(jié)。同理可查表計(jì)算其他發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，如潤滑油壓力、冷卻液溫度、蓄電池電壓、燃油油位，ECU溫度，進(jìn)氣溫度，機(jī)油壓力，節(jié)氣門位置等參數(shù)值所對應(yīng)的幀ID及在數(shù)據(jù)幀的位置。
4．2 發(fā)動(dòng)機(jī)故障報(bào)文發(fā)送模塊
    當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，傳感器所采集的數(shù)據(jù)通過EMR的單片機(jī)分析處理，決定該采集數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)或有效。如果該數(shù)據(jù)未在正常范圍內(nèi)或無效，EMR將向上位機(jī)發(fā)送故障幀，表明該傳感器對應(yīng)的元件存在故障。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總線儀表增加了故障診斷功能，可借助于液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示發(fā)動(dòng)機(jī)的故障類型。
    在故障診斷方面，SAE J1939定義了19個(gè)診斷信息(Diagnostic Message，簡稱DM)。該故障報(bào)文發(fā)送模塊主要采用DMl(顯示當(dāng)前故障)功能。DM由診斷故障燈代碼(2字節(jié))和診斷故障碼DTC (4字節(jié))組成。診斷故障碼DTC的長度為4字節(jié)，包括可疑參數(shù)碼SPN(19位)、故障類型代碼FMI(5位)、故障發(fā)生次數(shù)OC(7位)、SPN轉(zhuǎn)換方式CM(1位)。
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)共定義400多個(gè)故障，將故障類型代碼FMI與SPN相結(jié)合進(jìn)行定義，定義時(shí)遵循SPN和FMI的組合與故障類型一一對應(yīng)的原則。
4．3 發(fā)動(dòng)機(jī)儀表測試模塊
    發(fā)動(dòng)機(jī)儀表測試模塊是將虛擬儀表的指針運(yùn)行速度與開發(fā)儀表相比較，測試開發(fā)儀表的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)情況。由于只有車速表、油壓表、水溫表、電壓表等儀表數(shù)據(jù)是由發(fā)動(dòng)機(jī)CAN總線提供的，所以測試儀表只能模擬這4個(gè)表盤的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)情況。該測試儀表采用Dundas儀表向?qū)В摦a(chǎn)品能夠完全支持Visual Studio 2005特征，包括智能標(biāo)記，高級數(shù)據(jù)綁定等。Dundas儀表向?qū)峁┴S富的素材庫，利用該向?qū)?，用戶可以設(shè)計(jì)出應(yīng)用于各領(lǐng)域的儀表控件外形和數(shù)據(jù)指示方式。用戶只需編寫相關(guān)的儀表動(dòng)態(tài)變化和響應(yīng)部分代碼即可實(shí)現(xiàn)虛擬儀表功能。

5 結(jié)論
    介紹基于SAE J1939協(xié)議的發(fā)動(dòng)機(jī)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有發(fā)動(dòng)機(jī)工況選擇功能，與待開發(fā)總線儀表連接，可以模擬輸出發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)工況數(shù)據(jù)。一旦選定某個(gè)報(bào)文，該報(bào)文代表的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)即在報(bào)文規(guī)定的更新率下持續(xù)發(fā)送到待開發(fā)總線儀表的總線接口。以此系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件替代真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，可以隨機(jī)檢測各項(xiàng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況，且具有人為可選擇的靈活性，選擇范圍較真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)更大。在線模擬系統(tǒng)不受工作環(huán)境限制，可隨時(shí)隨地進(jìn)行檢測。該系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)室的一套發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的一部分，也可以配合教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程。通過實(shí)驗(yàn)，軟件各部分功能運(yùn)行良好，對總線儀表開發(fā)具有一定價(jià)值。隨著CAN總線應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展，SAE J1939協(xié)議必將得廣泛應(yīng)用。