基于J1939協(xié)議的汽車總線培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

     隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車上越來越多地采用了各種復(fù)雜的電子設(shè)備。為了提高信號的利用率，要求大量的數(shù)據(jù)信息能在不同的ECU中共享，大量的控制信號能夠?qū)崟r(shí)交換， 而傳統(tǒng)線束已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這種需求。CAN總線和基于它的車輛網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)提供了解決上述問題的途徑。[1] SAE J1939協(xié)議是美國汽車工程師協(xié)會發(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，供卡車及其拖車、大客車、建筑設(shè)備以及農(nóng)業(yè)設(shè)備使用，是用來支持分布在車輛各個(gè)不同位置的電控單元之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)閉環(huán)控制功能的高速通信標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸速率為250Kb/s，通信物理層和數(shù)據(jù)鏈路層以CAN2.0為基礎(chǔ)，并定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的協(xié)議。[2-3]
針對J1939協(xié)議教學(xué)和培訓(xùn)要求，構(gòu)建了一個(gè)基于J1939協(xié)議的汽車教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控汽車CAN總線的數(shù)據(jù)并能完整記錄、顯示波形和打印。
1  系統(tǒng)原理及硬件結(jié)構(gòu)
1.1系統(tǒng)原理
    系統(tǒng)中，CAN總線模塊系統(tǒng)通過CAN總線分析儀與計(jì)算機(jī)通訊，實(shí)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，用于教學(xué)和培訓(xùn)。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，直觀了解數(shù)據(jù)收發(fā)，掌握CAN總線和J1939協(xié)議的特點(diǎn)，理解物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的含義和作用，最后進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。
   CAN總線模塊系統(tǒng)能采集卡車道路行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)能控制車燈、門窗電機(jī)、電磁閥等功率設(shè)備。其中，儀表板模塊通過與車身通用控制模塊、車窗控制模塊進(jìn)行CAN通訊，采集車輛開關(guān)狀態(tài)，通過LED燈、液晶屏、轉(zhuǎn)盤指針顯示整車狀態(tài)、故障信息、報(bào)警信息等各種信息，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，對卡車進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
 
1.2  系統(tǒng)硬件組成
   系統(tǒng)包括3個(gè)部分：基于J1939的汽車CAN總線模塊系統(tǒng)，包括儀表板模塊、車身通用模塊、車身專用模塊（車窗控制模塊）；CAN總線分析儀，包括由基于USB的Kvaser USB CANⅡ總線適配器和軟件Warwick X-Analyser組成；筆記本電腦（計(jì)算機(jī)）。
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示：
 

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圖1  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
 
 
2  系統(tǒng)硬件
   基于J1939的汽車CAN總線模塊系統(tǒng)中，儀表板具有整車參數(shù)的顯示、存儲，與發(fā)動機(jī)ECU通信的功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的過程控制，根據(jù)儀表板上的開關(guān)狀態(tài)及連接在車身通用控制模塊的開關(guān)和傳感器狀態(tài)，產(chǎn)生功率輸出，并與車身通用控制模塊通訊；車身通用控制模塊負(fù)責(zé)將所屬區(qū)域的開關(guān)和傳感器狀態(tài)通過CAN總線反饋給儀表板模塊，并接收控制指令，驅(qū)動功率輸出接口實(shí)現(xiàn)通斷控制。
    實(shí)車上的儀表板控制器位于駕駛室司機(jī)座位正前方；前部控制模塊位于駕駛室司機(jī)座位與副駕駛座位之間的操作臺下；車身通用模塊位于車架上；車窗控制模塊位于駕駛室司機(jī)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(shù)字化顯示車輛行駛速度、油量、水溫、氣壓和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)。儀表板模塊可以提供可編程圖標(biāo)顯示功能，如當(dāng)車速大于3Km/h而車門未關(guān)好時(shí)，在最下行顯示提示信息“請關(guān)閉車門”，關(guān)好車門后，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?qū)偩€狀態(tài)、電氣負(fù)載短路/斷路狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)故障后以中文信息顯示；能夠獲取、顯示、存儲發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)；液晶屏可實(shí)時(shí)顯示整車當(dāng)前狀態(tài)信息；具有48路非隔離開關(guān)量輸入，6路電阻型模擬量輸入，3路模塊地址線輸入，1路ACC檔開關(guān)輸入，1路一線式溫度傳感器輸入，4路控地型系統(tǒng)喚醒信號輸入；6路高端開關(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  車身通用控制模塊
   車身通用控制模塊具有12路非隔離開關(guān)量輸入，1路脈沖量輸入，1路帶勵(lì)磁電流供應(yīng)的充電指示檢測輸入；4路電阻型模擬量輸入，4路模塊地址線輸入。具有11路高端開關(guān)輸出， 2路常有電功率輸出，1路帶反向電流防護(hù)的功率輸出，模塊具有安全運(yùn)行模式。
   車身通用控制模塊測量車輛行駛速度以及行程、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油量、發(fā)動機(jī)水溫、前后橋氣壓、發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力報(bào)警、左右轉(zhuǎn)向控制與顯示等。
2.3  車窗控制模塊
   車窗控制模塊支持433 MHz、868 MHz和915 MHz通信頻率；2路大功率全橋電機(jī)驅(qū)動通道；4路大功率高端開關(guān)輸出通道；12路開關(guān)量輸入接口；具有短路、過壓、過熱保護(hù)功能；具有車窗驅(qū)動的防夾功能；具有功率接口故障診斷功能。
   輸入接口有24路非隔離開關(guān)量輸入和4路模塊地址線輸入。輸出接口有4路高端開關(guān)輸出、2路常有電功率輸出和8路全橋開關(guān)輸出。
2.4  CAN總線分析儀
   Kvaser USB-CAN Ⅱ是基于USB的雙通道CAN總線分析儀，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CAN。本系統(tǒng)采用雙通道高速CAN分析儀（兼容ISO 11898，收發(fā)器為TJA1050）。
   主要特點(diǎn)：安裝快速、簡易，即插即用；支持11位標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)幀和29位標(biāo)識符的擴(kuò)展幀。每個(gè)CAN消息均標(biāo)有10μs精度的時(shí)間標(biāo)簽。自動開關(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”模式。
   支持主要的操作系統(tǒng)Windows、WinCE和Linux。應(yīng)用支持Kvaser CanKing、Warwick XA、ATI Apollo、National Instruments（NI） LabVIEW、NI DIAdem等應(yīng)用軟件。
3 系統(tǒng)軟件
   系統(tǒng)通過Kvaser USB Can II連接電腦，采用X-Analyser for Kvaser CAN軟件（簡稱XA）對系統(tǒng)總線通訊報(bào)文信息進(jìn)行監(jiān)測分析，汽車CAN總線模塊原始數(shù)據(jù)顯示界面如圖2所示。XA用于測試、分析、仿真和監(jiān)測CAN總線和LIN總線網(wǎng)絡(luò)，主要特點(diǎn)為：
（1）允許用戶在高層協(xié)議上使用各種不同的規(guī)則如觸發(fā)、濾波等訪問和監(jiān)視總線數(shù)據(jù)，如SAE J1939、NMEA、DeviceNet和CANopen等。（2）支持汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的文件格式，能夠與相關(guān)工具兼容。（3）通過設(shè)置X-Script選項(xiàng)或者Keil接口進(jìn)行節(jié)點(diǎn)或者網(wǎng)絡(luò)的模擬。

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圖2  CAN總線原始數(shù)據(jù)顯示界面
 
4 系統(tǒng)分析

  針對J1939培訓(xùn)要求，系統(tǒng)在教學(xué)中，特別是實(shí)操中可以實(shí)時(shí)監(jiān)控基于J1939汽車CAN總線的數(shù)據(jù)并能完整記錄、顯示波形和打印。
4.1  儀表板的顯示變化
（1）車輛行駛速度以及行程測量與顯示：系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量車輛的行駛速度，并在車速表上顯示車輛當(dāng)前的行駛速度，速度顯示單位為Km/h。車速傳感器的輸入為脈沖波（函數(shù)脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖），當(dāng)輸入的脈沖波頻率達(dá)到200Hz時(shí)，車速達(dá)到最到值180Km/h。
   當(dāng)車速不為0時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量車輛行駛的路程數(shù)，并顯示在儀表板上的液晶顯示屏多功能顯示區(qū)，單位為Km，精確到0.1Km。同時(shí)系統(tǒng)以1Km為單位間歇存儲車輛行駛總里程數(shù)，顯示在儀表板上的液晶顯示屏多功能顯示區(qū)上。
（2）燃油量的測量與顯示：燃油量通過油量傳感器來測量，顯示采用無量綱方式，F(xiàn)表示燃油滿，E表示燃油量為0。當(dāng)傳感器阻值在0~200Ω變化時(shí)，對應(yīng)油量表上的F~E。
（3）前后橋氣壓的測量與顯示：系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量前橋氣壓和后橋氣壓，并在儀表板上顯示。前橋氣壓和后橋氣壓的分別通過氣壓1傳感器和氣壓2傳感器來測量，當(dāng)氣壓傳感器的阻值在0~200Ω變化時(shí)，對應(yīng)氣壓表上的0~12。
（4）左右轉(zhuǎn)向控制與顯示：左右轉(zhuǎn)向通過兩個(gè)開關(guān)來控制，當(dāng)轉(zhuǎn)向開關(guān)斷開時(shí)，輸出為5v；當(dāng)轉(zhuǎn)向開關(guān)接通時(shí)，輸出為低電壓5v，高電壓24v的脈沖，并且儀表板上對應(yīng)的轉(zhuǎn)向指示燈閃爍。
4.2  數(shù)據(jù)采集結(jié)果
  系統(tǒng)XA數(shù)據(jù)采集如表1所示。以轉(zhuǎn)向開關(guān)為例：當(dāng)左轉(zhuǎn)向燈斷開時(shí)data為08，而接通時(shí)為08與8A交替變化。當(dāng)右轉(zhuǎn)向燈接通時(shí)data為00，而接通時(shí)為00與02交替變化，如圖3所示。通過函數(shù)脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖，模擬車速變化，如圖4所示。
表1  X-Analyser數(shù)據(jù)采集表
傳感器/開關(guān) ID PGN
車速傳感器 18FF0D24 0FF0D
油量傳感器 18FF0C24 0FF0C
氣壓傳感器1 18FF0C23 0FF0C
氣壓傳感器2 18FF0003 0FF00
左轉(zhuǎn)開關(guān) 18FF0452 0FF04
右轉(zhuǎn)開關(guān) 18FF0432 0FF04

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圖3  J1939數(shù)據(jù)顯示界面
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圖4  基于J1939的速度波形圖
 
 
5    結(jié)論

  本文介紹了一個(gè)基于J1939協(xié)議的汽車教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控汽車CAN總線的數(shù)據(jù)并能完整記錄、顯示波形和打印。
   系統(tǒng)中，CAN總線模塊系統(tǒng)通過CAN總線分析儀與計(jì)算機(jī)通訊，實(shí)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，用于教學(xué)和培訓(xùn)。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，直觀了解數(shù)據(jù)收發(fā)，掌握CAN總線和J1939協(xié)議的特點(diǎn)，理解物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的含義和作用，最后進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。
  本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：系統(tǒng)采用J1939的實(shí)車CAN總線模塊系統(tǒng)作為硬件，通過CAN總線分析儀，用直觀的人機(jī)界面描述模塊上J1939的數(shù)據(jù)格式和傳感器物理值，讓學(xué)員快速理解高層協(xié)議并掌握基于J1939的零部件ECU開發(fā)要點(diǎn)。項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益10萬元。