現代汽車核心技術-CAN總線應用層協議標準SAE J1939

一、技術背景

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201706/350776.htm

在當今的中高檔汽車中都採用了汽車總線技術。汽車總線為汽車內部各種複雜的電子設備、控制器、測量儀器等提供了統一數據交換渠道。一些汽車專家認為，就像在20世紀70年代引入集成電路、80年代引入微處理器一樣，近10年來數據總線技術的引入也將是汽車電子技術發展的一個裡程碑。

20世紀90年代以來，汽車上由電子控制單元(ECU)控制的部件數量越來越多，例如電子燃油噴射裝置、防抱死制動裝置、安全氣囊裝置、電控門窗裝置、主動懸架等等。隨著集成電路和單片機在汽車上的廣泛應用，車上的ECU數量越來越多。因此，一種新的概念--車上控制器區域網路CAN（Controller Area Network）的概念也就應運而生了。CAN最早是由德國BOSCH公司為解決現代汽車中的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種數據通信協議，按照ISO有關標準，CAN的拓撲結構為總線式，因此也稱為CAN總線。

CAN協議中每一幀的數據量都不超過8個字節，以短幀多發的方式實現數據的高實時性；CAN總線的糾錯能力非常強，從而提高數據的準確性；同時CAN總線的速率可達到1M bit/s，是一個真正的高速網絡。總之，將CAN總線應用在汽車中使用有很多優點：
(1)用低成本的雙絞線電纜代替了車身內昂貴的導線，並大幅度減少了用線數量；提高可靠性,安全性、降低成本。
(2)具有快速響應時間和高可靠性，並適合對實時性要求較高的應用如剎車裝置和氣囊；控制平臺、信息平臺、駕駛平臺的互連基礎。
(3)CAN晶片可以抗高溫和高噪聲，並且具有較低的價格，開放的工業標準。

在現代轎車的設計中，CAN已經成為必須採用的裝置，奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都採用了CAN作為控制器聯網的手段。據報導，中國首輛CAN網絡系統混合動力轎車已在奇瑞公司試裝成功，並進行了初步試運行。在上海大眾的帕薩特和POLO汽車上也開始引入了CAN總線技術。但總的來說，目前CAN總線技術在我國汽車工業中的應用尚處於試驗和起步階段，絕大部分的汽車還沒有採用汽車總線的設計，因而存在著不少弊端。

比如，眾所周知汽車的核心設備就是發動機，發動機的運行參數，例如發動機轉速、機油壓力、冷卻劑溫度等等是和汽車駕駛是緊密相關的。傳統汽車儀表的設計方法是：通過放置在汽車部件（如發動機）內部的傳感器，將機械信號轉換成電信號，如電壓、電流、脈衝信號，再經過D/A轉換或計數器等，將電信號轉換成可視的指針信號顯示在模擬儀錶盤上。隨著汽車總線技術的發展，不少進口的發動機已經不再直接向外提供傳感器信號，而改用CAN總線通信接口。一旦發動機出現故障時，由於缺乏基於CAN總線的測試維修設備，目前我們的維修人員使用的方法只能是在發動機上鑽孔，將傳感器直接放進發動機內部進行測量，操作繁瑣、設備複雜，且不利於保護髮動機的整體結構。

又比如，現有的部分汽車儀表使用了專用的總線設計，由於硬體標準不統一，通信協議也不兼容，為甲公司汽車生產的儀表完全不能在乙公司的汽車上使用，生產成本難以降低、故障維修很不方便。如果能將各種專用總線統一到CAN總線標準上來，就可以解決問題。

再比如，在手動擋汽車中，駕駛員的換擋是依照經驗進行的，有可能發生應該加高擋位而沒能及時加擋的情況，即低檔高速行駛，既不利於降低油耗，又容易造成汽車傳動部件磨損。如果能實現自動換擋提示，車輛就能始終保持在經濟時速行駛。

根據ISO(國際標準化組織)定義的OSI模型，CAN協議定義了物理層及數據鏈路層規範，這為不同的汽車廠商制定符合自身需要的應用層協議提供了很大的便利。如果需要建立更加完善的系統，還需要在CAN的基礎上選擇合適的應用層協議。如CANopen、SAE J1939等。　　　

J1939協議是目前在大型汽車中應用最廣泛的應用層協議，可達到250Kbps的通訊速率。J1939協議由美國SAE( Society of Automotive Engineer)組織維護和推廣。J1939協議具有如下特點：

(1)以CAN2.0B協議為基礎，物理層標準與ISO11898規範兼容並採用符合該規範的CAN控制器及收發器。通訊速率最高可達到250Kbps。
(2)採用PDU( Protocol Data Unit 協議數據單元)傳送信息，每個PDU相當於CAN協議中的一幀。由於每個CAN幀最多可傳輸8個字節數據，因此PDU的傳輸具有很高的實時性。
(3)利用CAN2.0B擴展幀格式的29位標誌符定義每一個PDU的含義以及該PDU的優先級。
(4)J1939協議主要作為汽車中應用的通訊協議，對汽車中應用到的各類參數都進行了規定。參數的規定符合ISO11992標準。

二、J1939在國內的發展情況

中國單片機公共實驗室聯合北京英貝多嵌入式網絡技術有限公司以及國內著名的汽車設計廠商，經過兩年多的設計開發，實現了基於單晶片的J1939 網關晶片em2003系列產品。

em2003可用於汽車數位化儀表，汽車J1939網關，汽車多功能電控的核心單元，並通過了嚴格的可靠性測試和實際產品化驗證，已投入批量生產。

em2003的各項指標已達到了國際先進水平，除支持SAE J1939固件外，還可支持SAE 1587，ISO9141標準，實現對汽車儀表的控制驅動。在國內是唯一實現了對汽車全液晶數字儀表的控制，步進馬達指針儀表的控制及多功能車載傳感器信息運行參數的網絡計算信息平臺。通過了與美國、德國、義大利 J1939 發動機的互連測試，取得了國際化的通行證。

目前，SAE J1939的技術規範及軟硬體開發測試平臺已由中國單片機公共實驗室完成引進消化和部分技術的國產化工作，並對國內數十家汽車廠商的控制計算平臺提供技術支持和解決方案及顧問服務。如附圖所示：

圖：J1939網絡與LIN網絡仿真測試平臺

該系統由11個網絡節點組成，以J1939網絡為骨幹，集成了現代汽車技術的網絡精華。包括LINbus，GPRS/GSM（無線TCP/IP網），Bluetooth（藍牙），USB，及嵌入式乙太網等最新技術。汽車的動力部分單元是通過嵌入式硬體數字仿真技術實現的。各單元的簡介如下：

（1）發動機ECM仿真單元：(節點1)
實現（實際）發動機的總線仿真功能，產生發動機10~20種電控時實參數，模擬汽車發動機的實際運行狀態。適合汽車EMC要求。
（2）NMT/車身電控制單元（節點2）
可實現J1939/81規定的網絡管理功能和診斷紀錄功能，發出報警控制信息，並有16個光電隔離輸出接口（50V/500mA）和8個數位訊號（傳感器）輸入接口及4個模擬傳感器接口，控制功能可現場編程修改。適合多種汽車EMC開發要求。
（3）緩速器仿真單元：（節點3）
可根據汽車運行狀態和車速控制電磁緩速器的驅動接口。
（4）ABS仿真單元：（節點4）
根據汽車網絡綜合參數控制ABS制動力和啟動時間。
（5）AMT仿真單元：（節點5）
根據設計參數可仿真實現變速箱與發動機ECM的通訊。
（6）非對稱網橋（節點6）
可實現高速網（動力系統）和低速網（儀表信息電氣控制系統）的流量不對稱橋接從而保證，總線負載率的安全和電氣安全。
（7）LIN BUS 網關（節點7）
實現LIN-BUS傳感器、電氣控制系統和CAN-BUS系統的互聯。並遵從J1939協議。
（8）J1939MFM（節點8）
J1939多功能汽車綜合參數儀表（汽車信息中心），可實現14種汽車運行參數的實時顯示（中文LCD），可編程300~5000Km歷史車況記錄並具備故障報警信息顯示功能。適合汽車EMC要求。
（9）J1939汽車儀表（節點9）
實現J1939總線式汽車儀表。可適配多種國產或進口汽車儀表總成。
（10）J1939轉乙太網/USB（網關節點10）
可實現乙太網或USB接口與通用計算機連接進入J1939網絡,對總線負載率進行統計分析,開放API接口。
（11）J1939運行實時參數記錄（節點11）
接入J1939網絡可記錄20萬條運行參數，用於實時分析各ECU單元的運行情況，亦可在實際運行的汽車中測試運行參數，並通過GMS/GPRS網絡接入Internet網絡伺服器。抗電子幹擾能力很強，適合汽車EMC要求。

上述系統中的這些節點單元可組成較完善的網絡測試環境，大多數單元已實現產品化。並適合汽車EMC要求。因而可與實際的汽車電子產品互換連接。以此為基礎可組成汽車電子總線技術電控單元仿真測試平臺。配備專業測試儀器後可組建CAN-BUS實驗室，該系統具有標準化和可擴展性的特點。

北京英貝多公司通過與德國Phytec、IXXAT等公司的合作，以達到國際水平的硬體ECU為核心，開發併集成了J1939網絡系統仿真平臺V1.0版本。

該網絡系統按照J1939的物理層、鏈路層和網絡層規定在12個節點下（總線負載率最大為30%條件下）連續工作已超過10000小時。並按照J1939/71車輛應用層標準完成了對MFM/J1939多功能網關產品化測試及總線型數字汽車儀表的測試。

三、技術展望

現代汽車是一個智能化網絡計算平臺。汽車網絡貫穿整車的每個單元即控制系統、信息系統、駕駛系統和傳感執行系統均由控制區域網CAN-BUS互連，掌握應用層網絡標準並開發嵌入式軟體是關鍵技術。

將車內的控制網絡與信息網絡如故障信息檢測系統，車況自動紀錄系統，實時駕駛信息顯示系統（智能化數字儀表）與嵌入式網際網路互連（支持IPv4及IPv6）,使每個汽車有一個Web網頁，將會是今後汽車計算平臺的關鍵核心技術。