基于LabVIEW和J1939協(xié)議的CAN總線通訊平臺(tái)開發(fā)

應(yīng)用領(lǐng)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(bào)文標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)幀定義沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，參數(shù)定義隨意性很大。商用車CAN 總線通訊標(biāo)準(zhǔn)，遵循建立在CAN2.0B 基礎(chǔ)上的SAE J1939 協(xié)議。報(bào)文標(biāo)識(shí)符ID，按照SAE 標(biāo)準(zhǔn)制定的車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度、壓力、燃油消耗量等參數(shù)的物理定義，報(bào)文數(shù)據(jù)幀格式對(duì)應(yīng)協(xié)議數(shù)據(jù)單元相應(yīng)數(shù)據(jù)內(nèi)容的封裝。面臨的挑戰(zhàn)是將J1939 協(xié)議融會(huì)貫通于CAN 總線通訊平臺(tái)的設(shè)計(jì)之中。

應(yīng)用方案：使用NI LabVIEW 軟件開發(fā)平臺(tái)和PXI 模塊化儀器系統(tǒng)中的CAN 通訊模塊，創(chuàng)建過濾識(shí)別J1939 協(xié)議報(bào)文標(biāo)識(shí)符ID 及多幀報(bào)文按協(xié)議格式解析接收和封裝發(fā)送的設(shè)計(jì)方法，并據(jù)此方法構(gòu)建CAN 通訊平臺(tái);完成整車電環(huán)境半實(shí)物仿真、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)CAN 總線信息的收發(fā)、存貯及實(shí)時(shí)計(jì)算顯示。

使用的產(chǎn)品：

LabVIEW2009 軟件平臺(tái)

PXI-1045 機(jī)箱

PXI-8108 嵌入式控制器

PXI-8464/2 CAN 通訊模塊

概述：

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，商用車CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用得到了異常迅猛的發(fā)展。現(xiàn)今市面上滿足國3～國5 排放標(biāo)準(zhǔn)的商用車，無一例外均應(yīng)用CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行整車VECU、發(fā)動(dòng)機(jī)EECU、自動(dòng)變速箱ECU、汽車組合儀表ECU、車輪防抱死制動(dòng)ECU 之間的數(shù)據(jù)通訊?；贘1939 協(xié)議的商用車CAN總線，針對(duì)單片機(jī)微控制器MCU 節(jié)點(diǎn)的MCU + CAN 控制器 + CAN 收發(fā)器的CAN 通訊接口，在車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中得到了大量應(yīng)用;而對(duì)整車道路試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)、整車電環(huán)境半實(shí)物仿真測試的上位機(jī)節(jié)點(diǎn)的PC 機(jī)或筆記本電腦 + CAN 通訊模塊，大都使用價(jià)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(yàn)工況對(duì)CAN 總線報(bào)文信息分析的功能需求。

2)CANoe 模塊時(shí)序不受PXI 儀器時(shí)鐘速率控制，無法與PXI 時(shí)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(shù)方法，在國內(nèi)汽車行業(yè)PXI 測控裝置的應(yīng)用屬于空白，難點(diǎn)是如何將LabVIEW 軟件開發(fā)平臺(tái)與復(fù)雜的J1939 協(xié)議有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)報(bào)文信息的過濾接收、合成重組及封裝發(fā)送。

針對(duì)商用車CAN 總線通訊網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，構(gòu)建基于LabVIEW 和J1939 協(xié)議的CAN 總線通訊平臺(tái)，嵌入在NI PXI 模塊化接口的測控裝置中，用于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)、整車電環(huán)境半實(shí)物仿真測試。

J1939 協(xié)議

J1939 協(xié)議以CAN2.0B 規(guī)范為基礎(chǔ)制定，對(duì)CAN2.0B 擴(kuò)展幀29 位標(biāo)識(shí)符ID 定義形成J1939 的編碼系統(tǒng)，包括優(yōu)先級(jí)P、預(yù)留位R、數(shù)據(jù)頁DP、協(xié)議數(shù)據(jù)單元PF、擴(kuò)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(yīng)用層，通過協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU(Protocal Data Unit)被封裝成一個(gè)或多個(gè)CAN 數(shù)據(jù)幀，通過物理層發(fā)送給總線網(wǎng)絡(luò)其它設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

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(guān)的信息，由標(biāo)識(shí)符ID 和數(shù)據(jù)場組成。

PDU1 格式報(bào)文PF 在0～239 之間，報(bào)文為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)向目標(biāo)地址發(fā)送，PS：報(bào)文接收的目標(biāo)地址，SA：報(bào)文發(fā)送的源地址，在目標(biāo)地址中填入255，為全局地址發(fā)送。

PDU2 格式報(bào)文PF 在240～255 之間，報(bào)文向全局地址發(fā)送，PS：參數(shù)組擴(kuò)展值，J1939 協(xié)議大部分報(bào)文為PDU2 格式。

PDU 數(shù)據(jù)場包含參數(shù)組中數(shù)據(jù)內(nèi)容，參數(shù)組編號(hào)PGN(Parameter Group Number)用于唯一標(biāo)識(shí)參數(shù)組的號(hào)碼，由一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)構(gòu)成一幀或多幀報(bào)文，而參數(shù)組是應(yīng)用層中定義的與某個(gè)ECU相關(guān)的若干參數(shù)(例如發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、燃油溫度等)的組合。

J1939 協(xié)議與CAN2.0B 標(biāo)準(zhǔn)區(qū)別

標(biāo)識(shí)符ID：CAN2.0B 不同功能的報(bào)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(shè)備，在集成時(shí)會(huì)產(chǎn)生ID 不能識(shí)別或識(shí)別不一致問題。J1939 每幀報(bào)文的標(biāo)識(shí)符唯一，且每幀報(bào)文都有自己的PGN，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)規(guī)定唯一的源地址，并將源地址映射到CAN 標(biāo)識(shí)符中，避免多個(gè)節(jié)點(diǎn)使用相同的標(biāo)識(shí)符，例如ID：0CF00400 代表發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩報(bào)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(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)用層的高層協(xié)議，在應(yīng)用層定義了針對(duì)車輛應(yīng)用的信號(hào)(參數(shù))和報(bào)文(參數(shù)組)。通過參數(shù)描述信號(hào)，并給每個(gè)參數(shù)分配了一個(gè)編號(hào)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。一個(gè)PGN 中可能有幾個(gè)SPN，PGN61444 包含了SPN190 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和SPN513 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩等參數(shù)。

多幀報(bào)文：CAN2.0B 規(guī)范定義只能使用單幀報(bào)文傳輸，J1939 協(xié)議除單幀報(bào)文傳輸外，還使用對(duì)話式、廣播式多幀報(bào)文傳輸，并按多幀數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行打包封裝發(fā)送和接收合成重組處理，其中對(duì)話式多幀報(bào)文發(fā)送接收節(jié)點(diǎn)需要握手協(xié)議，廣播式多幀報(bào)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(nèi)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(shí)現(xiàn)報(bào)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(cuò)誤控制和流控制，自動(dòng)產(chǎn)生CRC 校驗(yàn)位和ACK 應(yīng)答位插入數(shù)據(jù)幀中。

J1939 物理層協(xié)議規(guī)定了每個(gè)網(wǎng)段最多30 個(gè)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(zhuǎn)換。

軟件設(shè)計(jì)

基于J1939 協(xié)議的CAN 總線報(bào)文收發(fā)多任務(wù)處理流程，如圖3 所示，采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者循環(huán)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)者循環(huán)使用“元素入隊(duì)列”函數(shù)向報(bào)文簇隊(duì)列中添加數(shù)據(jù)，消費(fèi)者循環(huán)使用“元素出隊(duì)列”函數(shù)從報(bào)文簇隊(duì)列中移出數(shù)據(jù)。循環(huán)間采用隊(duì)列的方式進(jìn)行通信，避免多任務(wù)處理競爭狀態(tài)，當(dāng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)比消費(fèi)處理數(shù)據(jù)的速度快時(shí)，隊(duì)列的緩沖作用保證報(bào)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(bào)文收發(fā)多任務(wù)處理

建立接收?qǐng)?bào)文ID 解析過濾的識(shí)別方法。確定報(bào)文標(biāo)識(shí)符ID 的枚舉型狀態(tài)變量識(shí)別報(bào)文，根據(jù)狀態(tài)變量條件結(jié)構(gòu)過濾報(bào)文。

PDU1、PDU2 格式單幀報(bào)文全部入隊(duì)列，數(shù)據(jù)場大于8 字節(jié)的對(duì)話式、廣播式多幀報(bào)文按J1939協(xié)議多幀數(shù)據(jù)合成重組后入隊(duì)列，其它無數(shù)據(jù)場的報(bào)文幀舍去，處理完的接收?qǐng)?bào)文簇分解后出隊(duì)列計(jì)算、存貯和顯示。

廣播幀報(bào)文接收合成，首先進(jìn)行TP.CM-BAM 命令幀解析，提取EECU 發(fā)送報(bào)文的PGN 和幀數(shù)，其次對(duì)接收的TP.DT-BAM 數(shù)據(jù)幀組報(bào)文刪除幀序號(hào)，通過替換數(shù)組子集對(duì)接收?qǐng)?bào)文合成重組，還原PGN 標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)長度大于8 字節(jié)的廣播幀報(bào)文。

建立發(fā)送報(bào)文ID 解析封裝的識(shí)別方法。報(bào)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(jìn)行報(bào)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(bào)文直接入隊(duì)列，數(shù)據(jù)場大于8 字節(jié)的對(duì)話式、廣播式多幀報(bào)文按J1939 協(xié)議多幀數(shù)據(jù)處理打包封裝簇合成后入隊(duì)列，處理完的J1939 發(fā)送報(bào)文簇分解后出隊(duì)列并寫入CAN 口。

廣播幀報(bào)文發(fā)送封裝，ID 解析將發(fā)送報(bào)文的PGN 封裝在廣播報(bào)文命令幀標(biāo)識(shí)符ID-TP.CM 中，報(bào)文數(shù)組解析進(jìn)行字節(jié)數(shù)和幀數(shù)計(jì)算，創(chuàng)建幀序號(hào)加報(bào)文子集的8 字節(jié)多幀數(shù)組，與數(shù)據(jù)幀標(biāo)識(shí)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(bào)文。

應(yīng)用效果

在整車電環(huán)境的半實(shí)物仿真報(bào)文接收測試試驗(yàn)中，應(yīng)用圖4 所示的基于LabVIEW 和J1939 協(xié)議的CAN 總線通訊平臺(tái)，與Vector CANoe 模塊在同一時(shí)間段比對(duì)測試，接收的某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況EECU 報(bào)文如圖5 所示，一秒內(nèi)接收EECU 發(fā)出的526 幀報(bào)文，比對(duì)測試接收的報(bào)文無丟失現(xiàn)象。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量報(bào)文，實(shí)時(shí)反映了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，在商用車J1939 協(xié)議CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中，分別被車輛VECU 接收，作為換擋控制策略控制自動(dòng)變速箱汽車;組合儀表ECU 接收并實(shí)時(shí)顯示，提示駕駛員形成良好的駕駛習(xí)慣，操縱汽車達(dá)到最佳燃油經(jīng)濟(jì)性的路況行駛。為使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得最佳的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和兼顧排放達(dá)標(biāo)，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元EECU 進(jìn)行標(biāo)定匹配，獲得最佳噴油脈寬的標(biāo)定參數(shù)。標(biāo)定之后做比對(duì)試驗(yàn)，驗(yàn)證EECU 的標(biāo)定效果。

發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況試驗(yàn)，能夠反映車輛的等速工況;而發(fā)動(dòng)機(jī)變工況瞬態(tài)試驗(yàn)，能夠模擬實(shí)際道路循環(huán)中發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)。通過將實(shí)時(shí)報(bào)文油耗和實(shí)際測量瞬態(tài)油耗的對(duì)比，研究兩者之間的對(duì)應(yīng)吻合關(guān)系，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)EECU 的控制效果。

圖4 基于LabVIEW 和J1939 協(xié)議的CAN 總線通訊平臺(tái)應(yīng)用

注：一秒內(nèi)接收?qǐng)?bào)文 39736 – 39210 = 526

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況EECU 報(bào)文

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)變工況臺(tái)架試驗(yàn)油耗比對(duì)測量

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)十工況臺(tái)架試驗(yàn)瞬態(tài)油耗比對(duì)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(bào)文數(shù)據(jù)，與臺(tái)架油耗儀實(shí)測數(shù)據(jù)在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)存在差異，即發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)實(shí)際噴油量較小，設(shè)定噴油量與實(shí)際噴油量的差異值較大。這個(gè)差異是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷共軌軌壓波動(dòng)較大，導(dǎo)致噴油量波動(dòng)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(dòng)機(jī)噴油目標(biāo)值，與實(shí)際測量值接近，且變化趨勢和時(shí)序同步，反映了發(fā)動(dòng)機(jī)EECU 標(biāo)定匹配獲得了最佳噴油脈寬的目標(biāo)值。

總結(jié)

基于LabVIEW 和J1939 協(xié)議的NI PXI 模塊化系統(tǒng)架構(gòu)的CAN 總線通訊平臺(tái)的開發(fā)，建立了NICAN 模塊在商用車CAN 總線通訊的應(yīng)用基礎(chǔ)，項(xiàng)目具有推廣和商品應(yīng)用前景。在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)、整車電環(huán)境半實(shí)物仿真分析中，實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN 總線報(bào)文信息的過濾識(shí)別、合成接收、封裝發(fā)送、存貯、解析計(jì)算及實(shí)時(shí)顯示。

應(yīng)用LabVIEW 軟件平臺(tái)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析運(yùn)算及隊(duì)列處理能力，以及適應(yīng)整車苛刻測試環(huán)境的NI PXI 儀器及CAN 接口模塊，滿足試驗(yàn)工況對(duì)CAN 總線報(bào)文信息解析的功能需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)文數(shù)據(jù)與NI PXI 儀器其它測量參數(shù)同步采樣，試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)分析處理具有實(shí)時(shí)性和真實(shí)性。