基于LabVIEW和J1939協(xié)議的CAN總線通訊平臺開發(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(chǔ)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(zhuǎn)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(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)議融會貫通于CAN 總線通訊平臺的設(shè)計之中。

應(yīng)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(shè)計方法，并據(jù)此方法構(gòu)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(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 排放標準的商用車，無一例外均應(yīng)用CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，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?；贘1939 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(luò)控制系統(tǒng)中得到了大量應(yīng)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(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，難點是如何將LabVIEW 軟件開發(fā)平臺與復(fù)雜的J1939 協(xié)議有效結(jié)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(luò)的特點，構(gòu)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(chǔ)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(yù)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(yīng)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(luò)其它設(shè)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(guān)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(nèi)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(gòu)成一幀或多幀報文，而參數(shù)組是應(yīng)用層中定義的與某個ECU相關(guān)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(shè)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(zhuǎn)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(yīng)用層的高層協(xié)議，在應(yīng)用層定義了針對車輛應(yīng)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(zhuǎn)速。一個PGN 中可能有幾個SPN，PGN61444 包含了SPN190 發(fā)動機轉(zhuǎn)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(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(yīng)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(zhuǎn)換。

軟件設(shè)計

基于J1939 協(xié)議的CAN 總線報文收發(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(wù)處理競爭狀態(tài)，當(dāng)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(wù)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(nèi)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(luò)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(xí)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(yīng)吻合關(guān)系，判斷發(fā)動機EECU 的控制效果。

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

注：一秒內(nèi)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(shè)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(dǎo)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(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)，項目具有推廣和商品應(yīng)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(yīng)用LabVIEW 軟件平臺強大的數(shù)學(xué)分析運算及隊列處理能力，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。