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。詳細介紹了SAE J1939協(xié)議的報文及內(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)對汽車的各個功能模塊進行信息采集及控制。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交換。同時，車載多媒體設(shè)備、虛擬數(shù)字儀表等產(chǎn)品也需要實時獲取車輛工況信息。因此傳統(tǒng)線束已遠遠不能滿足這種需求。
    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獲取車輛的車速、油壓、制動壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等重要信息，在車輛發(fā)生故障時及時定位車輛故障，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提供直觀實時的車輛工況。

1 SAE J1939協(xié)議介紹
    SAE J1939協(xié)議是美國汽車工程師協(xié)會(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)上的標準化高速網(wǎng)絡(luò)連接，在不同的ECU間實現(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報文格式
    SAE J1939在通訊中是負責數(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PDU相當于CAN協(xié)議中的一幀。PDU由29位標識符和O～8個字節(jié)的數(shù)據(jù)所組成，如表l所示。SAE J1939利用29位標識符(CAN擴展幀)提供一種完整的網(wǎng)絡(luò)定義。表1中，P位為決定報文優(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PDI格式(PDUl、PDU2)：替代遠程請求位SRR和標識符擴展位IDE在CAN2．0B中己詳細定義，并未包含在PDU內(nèi)；PS場由PF值決定其包含一個目標地址(DA)還是包含一個對PDU格式PF的組擴展(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))和報文(參數(shù)組)。應(yīng)用層通過參數(shù)描述信號，給每個參數(shù)分配了一個19位的可疑參數(shù)編號(SP-N)；此外還通過參數(shù)組描述報文，給每個參數(shù)組分配了一個24位的參數(shù)組編號(PGN)。SPN用來標識與ECU相關(guān)的故障診斷元素、部件或參數(shù)組中參數(shù)；PGN用來唯一標識一個特定參數(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)和定義專有報文對應(yīng)用層進行補充。[!--empirenews.page--]

2 模塊設(shè)計開發(fā)
2．1 硬件電路設(shè)計
    設(shè)計的模塊由微控制器、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。在實際的車載環(huán)境中，此模塊通過CAN總線獲取報文，并根據(jù)SAE J1939協(xié)議計算得出車輛的發(fā)動機轉(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行分壓濾波整形處理后直接送往微控制器進行A／D變換處理。這些信息經(jīng)過微控制器計算處理后通過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lMb／s，具有兩個接收FIFO，3級14個可調(diào)節(jié)的濾波器，可收發(fā)ll位標準幀或29位擴展幀。因此可以省去類似設(shè)計中必須帶有的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，具備差動發(fā)送和接收功能，同時帶有TVS保護，可以支持最高1Mb／s的通訊速率，單芯片實現(xiàn)了CAN節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)、隔離、保護功能；從而省卻了傳統(tǒng)設(shè)計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、冷卻風扇電機、發(fā)電機等產(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)計主要采用了以下幾個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。[!--empirenews.page--]
2．2 軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用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(重啟和時鐘控制)模塊以及NVIC(嵌套向量中斷控制器)模塊進行初始化，并使能CAN中斷，設(shè)置CAN屏蔽碼和驗收碼。CAN模塊的初始化過程是這樣的：a．根據(jù)CAN節(jié)點相關(guān)信息初始化一個CAN_InitTypeDef型結(jié)構(gòu)，并調(diào)用CAN_Init函數(shù)對CAN接口進行初始化；b．創(chuàng)建CAN_FilterInitTypeDef結(jié)構(gòu)體，調(diào)用CAN_FilterInit函數(shù)對CAN過濾器進行初始化；c．調(diào)用CAN_ITConfig函數(shù)對CAN中斷源進行使能設(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位標識符報文與驗收碼、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))。僅當標識符中的相關(guān)位與驗收碼相應(yīng)位相同時，系統(tǒng)才接收報文；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))，若驗收碼為Ox00000000，屏蔽碼為OxlFFFFFFF，則接收該報文。根據(jù)SAE J1939-71協(xié)議，此報文為PGN65266，來自發(fā)動機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等器件實現(xiàn)了車輛信息的實時采集，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，有一定的實用價值。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。