基于J1939協(xié)議的汽車總線培訓實驗系統(tǒng)

     隨著汽車電子技術的發(fā)展，汽車上越來越多地采用了各種復雜的電子設備。為了提高信號的利用率，要求大量的數據信息能在不同的ECU中共享，大量的控制信號能夠實時交換， 而傳統(tǒng)線束已遠遠不能滿足這種需求。CAN總線和基于它的車輛網絡通信標準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絡串行通訊和控制協(xié)議，供卡車及其拖車、大客車、建筑設備以及農業(yè)設備使用，是用來支持分布在車輛各個不同位置的電控單元之間實現實時閉環(huán)控制功能的高速通信標準，數據傳輸速率為250Kb/s，通信物理層和數據鏈路層以CAN2.0為基礎，并定義了網絡層和應用層的協(xié)議。[2-3]
針對J1939協(xié)議教學和培訓要求，構建了一個基于J1939協(xié)議的汽車教學實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)實時監(jiān)控汽車CAN總線的數據并能完整記錄、顯示波形和打印。
1  系統(tǒng)原理及硬件結構
1.1系統(tǒng)原理
    系統(tǒng)中，CAN總線模塊系統(tǒng)通過CAN總線分析儀與計算機通訊，實行數據采集和傳輸，用于教學和培訓。學生進行實驗操作，直觀了解數據收發(fā)，掌握CAN總線和J1939協(xié)議的特點，理解物理層、數據鏈路層和應用層的含義和作用，最后進行系統(tǒng)開發(fā)。
   CAN總線模塊系統(tǒng)能采集卡車道路行駛狀態(tài)數據，同時能控制車燈、門窗電機、電磁閥等功率設備。其中，儀表板模塊通過與車身通用控制模塊、車窗控制模塊進行CAN通訊，采集車輛開關狀態(tài)，通過LED燈、液晶屏、轉盤指針顯示整車狀態(tài)、故障信息、報警信息等各種信息，實現人機交互，對卡車進行實時控制。
 
1.2  系統(tǒng)硬件組成
   系統(tǒng)包括3個部分：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（計算機）。
系統(tǒng)硬件結構示意圖，如圖1所示：
 

 500)this.style.width=500;" border="0" />
圖1  系統(tǒng)硬件結構圖
 
 
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的顯示、存儲，與發(fā)動機ECU通信的功能，同時實現對負載的過程控制，根據儀表板上的開關狀態(tài)及連接在車身通用控制模塊的開關和傳感器狀態(tài)，產生功率輸出，并與車身通用控制模塊通訊；車身通用控制模塊負責將所屬區(qū)域的開關和傳感器狀態(tài)通過CAN總線反饋給儀表板模塊，并接收控制指令，驅動功率輸出接口實現通斷控制。
    實車上的儀表板控制器位于駕駛室司機座位正前方；前部控制模塊位于駕駛室司機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座位與副駕駛座位之間的操作臺下。[!--empirenews.page--]
2.1  儀表板模塊
    儀表板模塊可以數字化顯示車輛行駛速度、油量、水溫、氣壓和發(fā)動機轉速等參數。儀表板模塊可以提供可編程圖標顯示功能，如當車速大于3Km/h而車門未關好時，在最下行顯示提示信息“請關閉車門”，關好車門后，該信息消失。具有9個高亮度LED符號指示燈；具有故障診斷功能，能夠對總線狀態(tài)、電氣負載短路/斷路狀態(tài)進行實時監(jiān)控，出現故障后以中文信息顯示；能夠獲取、顯示、存儲發(fā)動機相關參數；液晶屏可實時顯示整車當前狀態(tài)信息；具有48路非隔離開關量輸入，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路非隔離開關量輸入，1路脈沖量輸入，1路帶勵磁電流供應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路高端開關輸出， 2路常有電功率輸出，1路帶反向電流防護的功率輸出，模塊具有安全運行模式。
   車身通用控制模塊測量車輛行駛速度以及行程、發(fā)動機轉速、燃油量、發(fā)動機水溫、前后橋氣壓、發(fā)動機機油壓力報警、左右轉向控制與顯示等。
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路大功率全橋電機驅動通道；4路大功率高端開關輸出通道；12路開關量輸入接口；具有短路、過壓、過熱保護功能；具有車窗驅動的防夾功能；具有功率接口故障診斷功能。
   輸入接口有24路非隔離開關量輸入和4路模塊地址線輸入。輸出接口有4路高端開關輸出、2路常有電功率輸出和8路全橋開關輸出。
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，一個通道用于測量高速CAN信號，另一個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：安裝快速、簡易，即插即用；支持11位標識符的標準幀和29位標識符的擴展幀。每個CAN消息均標有10μs精度的時間標簽。自動開關電源為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。應用支持Kvaser CanKing、Warwick XA、ATI Apollo、National Instruments（NI） LabVIEW、NI DIAdem等應用軟件。
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)總線通訊報文信息進行監(jiān)測分析，汽車CAN總線模塊原始數據顯示界面如圖2所示。XA用于測試、分析、仿真和監(jiān)測CAN總線和LIN總線網絡，主要特點為：
（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)視總線數據，如SAE J1939、NMEA、DeviceNet和CANopen等。（2）支持汽車工業(yè)標準的文件格式，能夠與相關工具兼容。（3）通過設置X-Script選項或者Keil接口進行節(jié)點或者網絡的模擬。

500)this.style.width=500;" border="0" />

圖2  CAN總線原始數據顯示界面[!--empirenews.page--]
 
4 系統(tǒng)分析

  針對J1939培訓要求，系統(tǒng)在教學中，特別是實操中可以實時監(jiān)控基于J1939汽車CAN總線的數據并能完整記錄、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)實時測量車輛的行駛速度，并在車速表上顯示車輛當前的行駛速度，速度顯示單位為Km/h。車速傳感器的輸入為脈沖波（函數脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖），當輸入的脈沖波頻率達到200Hz時，車速達到最到值180Km/h。
   當車速不為0時，系統(tǒng)實時測量車輛行駛的路程數，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。同時系統(tǒng)以1Km為單位間歇存儲車輛行駛總里程數，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表示燃油滿，E表示燃油量為0。當傳感器阻值在0~200Ω變化時，對應油量表上的F~E。
（3）前后橋氣壓的測量與顯示：系統(tǒng)實時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，當氣壓傳感器的阻值在0~200Ω變化時，對應氣壓表上的0~12。
（4）左右轉向控制與顯示：左右轉向通過兩個開關來控制，當轉向開關斷開時，輸出為5v；當轉向開關接通時，輸出為低電壓5v，高電壓24v的脈沖，并且儀表板上對應的轉向指示燈閃爍。
4.2  數據采集結果
  系統(tǒng)XA數據采集如表1所示。以轉向開關為例：當左轉向燈斷開時data為08，而接通時為08與8A交替變化。當右轉向燈接通時data為00，而接通時為00與02交替變化，如圖3所示。通過函數脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖，模擬車速變化，如圖4所示。
表1  X-Analyser數據采集表
傳感器/開關 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
左轉開關 18FF0452 0FF04
右轉開關 18FF0432 0FF04

500)this.style.width=500;" border="0" />
 
圖3  J1939數據顯示界面
 500)this.style.width=500;" border="0" /> 
圖4  基于J1939的速度波形圖
 
 
5    結論

  本文介紹了一個基于J1939協(xié)議的汽車教學實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)可以實時監(jiān)控汽車CAN總線的數據并能完整記錄、顯示波形和打印。
   系統(tǒng)中，CAN總線模塊系統(tǒng)通過CAN總線分析儀與計算機通訊，實行數據采集和傳輸，用于教學和培訓。學生進行實驗操作，直觀了解數據收發(fā)，掌握CAN總線和J1939協(xié)議的特點，理解物理層、數據鏈路層和應用層的含義和作用，最后進行系統(tǒng)開發(fā)。
  本文作者創(chuàng)新點：系統(tǒng)采用J1939的實車CAN總線模塊系統(tǒng)作為硬件，通過CAN總線分析儀，用直觀的人機界面描述模塊上J1939的數據格式和傳感器物理值，讓學員快速理解高層協(xié)議并掌握基于J1939的零部件ECU開發(fā)要點。項目經濟效益10萬元。