基于SAE J1939協(xié)議的車輛信息采集與診斷模塊

摘要：本文在CAN總線技術(shù)與SAE J1939協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了基于Cortex-M3內(nèi)核微控制器的車輛信息采集與診斷模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了SAE J1939協(xié)議的報(bào)文及內(nèi)容格式，以及系統(tǒng)硬件、軟件開發(fā)過程，并指出了設(shè)計(jì)中需要注意的環(huán)節(jié)。該模塊通過對CAN總線及各傳感器數(shù)據(jù)的讀取和處理，能夠穩(wěn)定可靠地提供車輛工況數(shù)據(jù)，并可集成到車載多媒體系統(tǒng)和虛擬數(shù)字儀表等其他車載產(chǎn)品中。
關(guān)鍵詞：車輛工程；SAE J1939協(xié)議；CAN總線；Cortex-M3

0 引言
    當(dāng)前，汽車電子化程度不斷提高，大量采用基于微處理器的電控單元(ECU)對汽車的各個(gè)功能模塊進(jìn)行信息采集及控制。由于ECU數(shù)量眾多，為了提高信號的利用率，要求在不同的ECU間，大量的數(shù)據(jù)狀態(tài)信息能夠?qū)崿F(xiàn)共享，大量的控制信號能夠?qū)崟r(shí)交換。同時(shí)，車載多媒體設(shè)備、虛擬數(shù)字儀表等產(chǎn)品也需要實(shí)時(shí)獲取車輛工況信息。因此傳統(tǒng)線束已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這種需求。
    CAN總線及基于CAN的車輛通信應(yīng)用層協(xié)議提供了解決上述問題的途徑。目前SAE J1939是汽車行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的CAN應(yīng)用層協(xié)議之一。本文提出的基于CAN和SAE J1939的車輛信息采集與診斷模塊能夠?qū)崟r(shí)獲取車輛的車速、油壓、制動(dòng)壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等重要信息，在車輛發(fā)生故障時(shí)及時(shí)定位車輛故障，并可集成到車載多媒體、虛擬儀表等產(chǎn)品中，為車輛駕駛?cè)藛T提供直觀實(shí)時(shí)的車輛工況。

1 SAE J1939協(xié)議介紹
    SAE J1939協(xié)議是美國汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)在CAN2．0B協(xié)議基礎(chǔ)上制定的客車和重型貨車網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用層協(xié)議，在目前汽車電子網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。該協(xié)議采用CAN總線的數(shù)據(jù)幀封裝其數(shù)據(jù)信息，并明確規(guī)定了汽車內(nèi)部各ECU的名稱、地址、通訊協(xié)議、優(yōu)先級等信息，使用多路復(fù)用技術(shù)為車輛各傳感器、執(zhí)行器和控制器提供建立在CAN總線基礎(chǔ)上的標(biāo)準(zhǔn)化高速網(wǎng)絡(luò)連接，在不同的ECU間實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)共享，以期有效減少線束數(shù)量并提高車輛電子控制系統(tǒng)的靈活性、可靠性、可維修性。目前，車輛的ECU產(chǎn)品大都帶有遵循SAE J1939協(xié)議的CAN總線接口。這為車輛信息的快速采集和故障的在線診斷定位提供了便利。
1．1 SAE J1939報(bào)文格式
    SAE J1939在通訊中是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏攨f(xié)議，其功能分為數(shù)據(jù)的拆分打包和重組及連接管理兩部分。其數(shù)據(jù)幀是以PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)為單位傳送信息，每個(gè)PDU相當(dāng)于CAN協(xié)議中的一幀。PDU由29位標(biāo)識符和O～8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)所組成，如表l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。表1中，P位為決定報(bào)文優(yōu)先級的前3位；R是保留位：DP是數(shù)據(jù)頁位；PF場識別兩個(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在CAN2．0B中己詳細(xì)定義，并未包含在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。

1．2 SAE J1939應(yīng)用層
    應(yīng)用層定義了針對車輛應(yīng)用的信號(參數(shù))和報(bào)文(參數(shù)組)。應(yīng)用層通過參數(shù)描述信號，給每個(gè)參數(shù)分配了一個(gè)19位的可疑參數(shù)編號(SP-N)；此外還通過參數(shù)組描述報(bào)文，給每個(gè)參數(shù)組分配了一個(gè)24位的參數(shù)組編號(PGN)。SPN用來標(biāo)識與ECU相關(guān)的故障診斷元素、部件或參數(shù)組中參數(shù)；PGN用來唯一標(biāo)識一個(gè)特定參數(shù)組。除已分配的參數(shù)和參數(shù)組外，用戶還可通過分配未使用的SPN給自定義參數(shù)和定義專有報(bào)文對應(yīng)用層進(jìn)行補(bǔ)充。

2 模塊設(shè)計(jì)開發(fā)
2．1 硬件電路設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)的模塊由微控制器、CAN總線接口、信號采集處理電路、接口電路等部分組成，如圖1所示。在實(shí)際的車載環(huán)境中，此模塊通過CAN總線獲取報(bào)文，并根據(jù)SAE J1939協(xié)議計(jì)算得出車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、水溫以及故障代碼等信息，而燃油量、轉(zhuǎn)向泵壓力、制動(dòng)氣壓等其它信息則從相應(yīng)傳感器以模擬量、開關(guān)量、脈沖量等形式獲取，在經(jīng)過信號采集處理電路進(jìn)行分壓濾波整形處理后直接送往微控制器進(jìn)行A／D變換處理。這些信息經(jīng)過微控制器計(jì)算處理后通過USB和UART接口傳送給車載多媒體設(shè)備或虛擬數(shù)字儀表設(shè)備。

    主控處理器采用ST公司的STM32F103C8T6，它基于ARM公司新一代32位Cortex-M3內(nèi)核，可提供1．25 DMIPS／MHz的處理能力，內(nèi)部帶有ADC、I2C、UART、USB等外圍接口，特別是其內(nèi)部帶有支持CAN 2．0B協(xié)議的CAN控制器，位速率達(dá)lMb／s，具有兩個(gè)接收FIFO，3級14個(gè)可調(diào)節(jié)的濾波器，可收發(fā)ll位標(biāo)準(zhǔn)幀或29位擴(kuò)展幀。因此可以省去類似設(shè)計(jì)中必須帶有的CAN協(xié)議接口器件SJAl000，大大降低了外圍電路的成本。
    圖2給出了模塊CAN總線接口部分的電路。系統(tǒng)采用帶隔離及TVS保護(hù)的通用CAN收發(fā)器CTM8251T為CAN控制器與物理總線之間提供接口，CTM8251T內(nèi)部集成了信號隔離電路和所有必需的CAN電平轉(zhuǎn)換電路，具備差動(dòng)發(fā)送和接收功能，同時(shí)帶有TVS保護(hù)，可以支持最高1Mb／s的通訊速率，單芯片實(shí)現(xiàn)了CAN節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)、隔離、保護(hù)功能；從而省卻了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的光電耦合器件、DC-DC隔離、CAN收發(fā)器等多種器件，既簡化了設(shè)計(jì)又節(jié)約了成本。

    汽車的電磁環(huán)境非常復(fù)雜，既有內(nèi)部各模塊之間的相互干擾(包括雨刮器、冷卻風(fēng)扇電機(jī)、發(fā)電機(jī)等產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾、輻射干擾)，也有外界對其產(chǎn)生的干擾(環(huán)境電磁場、人體放電和大自然的干擾雷電)。因此本模塊的設(shè)計(jì)主要采用了以下幾個(gè)方面的抗電磁干擾措施：首先，加裝鐵氧體互感器件抑制線路板的輻射和外部傳導(dǎo)干擾；其次，采用了帶隔離及過壓保護(hù)功能的CAN接口器件；再次，在輸入電源處采用TVS管抑制外部傳導(dǎo)干擾。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用Keil RealView MDK-ARM環(huán)境編寫，通過J-Link調(diào)試仿真器與STM32 F103C8T6的JTAG接口連接，實(shí)現(xiàn)在線仿真調(diào)試。
    ST公司為STM32系列微控制器開發(fā)了專門的固件庫和接口函數(shù)，大大簡化了軟件開發(fā)的過程。系統(tǒng)上電后首先對微控制器的RCC(重啟和時(shí)鐘控制)模塊以及NVIC(嵌套向量中斷控制器)模塊進(jìn)行初始化，并使能CAN中斷，設(shè)置CAN屏蔽碼和驗(yàn)收碼。CAN模塊的初始化過程是這樣的：a．根據(jù)CAN節(jié)點(diǎn)相關(guān)信息初始化一個(gè)CAN_InitTypeDef型結(jié)構(gòu)，并調(diào)用CAN_Init函數(shù)對CAN接口進(jìn)行初始化；b．創(chuàng)建CAN_FilterInitTypeDef結(jié)構(gòu)體，調(diào)用CAN_FilterInit函數(shù)對CAN過濾器進(jìn)行初始化；c．調(diào)用CAN_ITConfig函數(shù)對CAN中斷源進(jìn)行使能設(shè)置。系統(tǒng)初始化完成后，等待CAN總線接收中斷的產(chǎn)生，并判斷總線數(shù)據(jù)是否滿足屏蔽條件，將29位標(biāo)識符報(bào)文與驗(yàn)收碼、屏蔽碼值逐位比較，屏蔽碼用于定位相關(guān)位(0為相關(guān)，1為不相關(guān))。僅當(dāng)標(biāo)識符中的相關(guān)位與驗(yàn)收碼相應(yīng)位相同時(shí)，系統(tǒng)才接收報(bào)文；如滿足屏蔽條件則從寄存器讀取數(shù)據(jù)并存入緩沖區(qū)，并通過CAN Receive函數(shù)讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，再根據(jù)SAE J1939協(xié)議判斷計(jì)算車輛工況及故障代碼等信息，處理后通過USB或串行口發(fā)送到車載多媒體設(shè)備和虛擬儀表進(jìn)行顯示。例如：接收的數(shù)據(jù)為0C FEF2 00 xx xx xx 0D 15 xx xx xx (xx為任意數(shù)據(jù))，若驗(yàn)收碼為Ox00000000，屏蔽碼為OxlFFFFFFF，則接收該報(bào)文。根據(jù)SAE J1939-71協(xié)議，此報(bào)文為PGN65266，來自發(fā)動(dòng)機(jī)ECU；可以得知第4、5字節(jié)為平均油耗，并遵循低位在前高位在后的傳輸方式，計(jì)算出車輛平均油耗=原始數(shù)×分辨率+偏移量=5389×1／5 12+O=10．5km／L。同理可計(jì)算其他車輛工況數(shù)據(jù)。圖3為CAN總線數(shù)據(jù)接收程序流程圖。

3 結(jié)語
    本文介紹了基于CAN總線和SAE J1939協(xié)議的車輛信息采集與診斷模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，利用STM32F103C8T6微控制器和CAN隔離收發(fā)器CTM825lT等器件實(shí)現(xiàn)了車輛信息的實(shí)時(shí)采集，最大限度地利用了器件本身的接口功能并降低了外圍電路的成本。本模塊工作穩(wěn)定、性能可靠，軟件各部分功能運(yùn)行完好，并可與影音娛樂產(chǎn)品和虛擬儀表產(chǎn)品相互結(jié)合，有一定的實(shí)用價(jià)值。隨著汽車電子化程度的不斷提高，CAN總線和SALE J1939協(xié)議必將得到更為廣泛的應(yīng)用。