現(xiàn)代汽車核心技術-CAN總線應用層協(xié)議標準SAE J1939

一、技術背景

在當今的中高檔汽車中都采用了汽車總線技術。汽車總線為汽車內部各種復雜的電子設備、控制器、測量儀器等提供了統(tǒng)一數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)總線技術的引入也將是汽車電子技術發(fā)展的一個里程碑。

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(shù)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(shù)量越來越多。因此，一種新的概念--車上控制器局域網(wǎng)絡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(xiàn)代汽車中的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)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(xié)議中每一幀的數(shù)據(jù)量都不超過8個字節(jié)，以短幀多發(fā)的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高實時性；CAN總線的糾錯能力非常強，從而提高數(shù)據(jù)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(wǎng)絡。總之，將CAN總線應用在汽車中使用有很多優(yōu)點：
(1)用低成本的雙絞線電纜代替了車身內昂貴的導線，并大幅度減少了用線數(shù)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，并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芯片可以抗高溫和高噪聲，并且具有較低的價格，開放的工業(yè)標準。

在現(xiàn)代轎車的設計中，CAN已經(jīng)成為必須采用的裝置，奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都采用了CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的手段。據(jù)報道，中國首輛CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)混合動力轎車已在奇瑞公司試裝成功，并進行了初步試運行。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(yè)中的應用尚處于試驗和起步階段，絕大部分的汽車還沒有采用汽車總線的設計，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(fā)動機，發(fā)動機的運行參數(shù)，例如發(fā)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(tǒng)汽車儀表的設計方法是：通過放置在汽車部件（如發(fā)動機）內部的傳感器，將機械信號轉換成電信號，如電壓、電流、脈沖信號，再經(jīng)過D/A轉換或計數(shù)器等，將電信號轉換成可視的指針信號顯示在模擬儀表盤上。隨著汽車總線技術的發(fā)展，不少進口的發(fā)動機已經(jīng)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(fā)動機出現(xiàn)故障時，由于缺乏基于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(fā)動機上鉆孔，將傳感器直接放進發(fā)動機內部進行測量，操作繁瑣、設備復雜，且不利于保護發(fā)動機的整體結構。

又比如，現(xiàn)有的部分汽車儀表使用了專用的總線設計，由于硬件標準不統(tǒng)一，通信協(xié)議也不兼容，為甲公司汽車生產(chǎn)的儀表完全不能在乙公司的汽車上使用，生產(chǎn)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(tǒng)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(jīng)驗進行的，有可能發(fā)生應該加高擋位而沒能及時加擋的情況，即低檔高速行駛，既不利于降低油耗，又容易造成汽車傳動部件磨損。如果能實現(xiàn)自動換擋提示，車輛就能始終保持在經(jīng)濟時速行駛。

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

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

(1)以CAN2.0B協(xié)議為基礎，物理層標準與ISO11898規(guī)范兼容并采用符合該規(guī)范的CAN控制器及收發(fā)器。通訊速率最高可達到250Kbps。
(2)采用PDU( Protocol Data Unit 協(xié)議數(shù)據(jù)單元)傳送信息，每個PDU相當于CAN協(xié)議中的一幀。由于每個CAN幀最多可傳輸8個字節(jié)數(shù)據(jù)，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位標志符定義每一個PDU的含義以及該PDU的優(yōu)先級。
(4)J1939協(xié)議主要作為汽車中應用的通訊協(xié)議，對汽車中應用到的各類參數(shù)都進行了規(guī)定。參數(shù)的規(guī)定符合ISO11992標準。

二、J1939在國內的發(fā)展情況

中國單片機公共實驗室聯(lián)合北京英貝多嵌入式網(wǎng)絡技術有限公司以及國內著名的汽車設計廠商，經(jīng)過兩年多的設計開發(fā)，實現(xiàn)了基于單芯片的J1939 網(wǎng)關芯片em2003系列產(chǎn)品。

em2003可用于汽車數(shù)字化儀表，汽車J1939網(wǎng)關，汽車多功能電控的核心單元，并通過了嚴格的可靠性測試和實際產(chǎn)品化驗證，已投入批量生產(chǎn)。

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(xiàn)對汽車儀表的控制驅動。在國內是唯一實現(xiàn)了對汽車全液晶數(shù)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(shù)的網(wǎng)絡計算信息平臺。通過了與美國、德國、意大利 J1939 發(fā)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(guī)范及軟硬件開發(fā)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(chǎn)化工作，并對國內數(shù)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(wǎng)絡與LIN網(wǎng)絡仿真測試平臺

該系統(tǒng)由11個網(wǎng)絡節(jié)點組成，以J1939網(wǎng)絡為骨干，集成了現(xiàn)代汽車技術的網(wǎng)絡精華。包括LINbus，GPRS/GSM（無線TCP/IP網(wǎng)），Bluetooth（藍牙），USB，及嵌入式以太網(wǎng)等最新技術。汽車的動力部分單元是通過嵌入式硬件數(shù)字仿真技術實現(xiàn)的。各單元的簡介如下：

（1）發(fā)動機ECM仿真單元：(節(jié)點1)
實現(xiàn)（實際）發(fā)動機的總線仿真功能，產(chǎn)生發(fā)動機10~20種電控時實參數(shù)，模擬汽車發(fā)動機的實際運行狀態(tài)。適合汽車EMC要求。
（2）NMT/車身電控制單元（節(jié)點2）
可實現(xiàn)J1939/81規(guī)定的網(wǎng)絡管理功能和診斷紀錄功能，發(fā)出報警控制信息，并有16個光電隔離輸出接口（50V/500mA）和8個數(shù)字信號（傳感器）輸入接口及4個模擬傳感器接口，控制功能可現(xiàn)場編程修改。適合多種汽車EMC開發(fā)要求。
（3）緩速器仿真單元：（節(jié)點3）
可根據(jù)汽車運行狀態(tài)和車速控制電磁緩速器的驅動接口。
（4）ABS仿真單元：（節(jié)點4）
根據(jù)汽車網(wǎng)絡綜合參數(shù)控制ABS制動力和啟動時間。
（5）AMT仿真單元：（節(jié)點5）
根據(jù)設計參數(shù)可仿真實現(xiàn)變速箱與發(fā)動機ECM的通訊。
（6）非對稱網(wǎng)橋（節(jié)點6）
可實現(xiàn)高速網(wǎng)（動力系統(tǒng)）和低速網(wǎng)（儀表信息電氣控制系統(tǒng)）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(wǎng)關（節(jié)點7）
實現(xiàn)LIN-BUS傳感器、電氣控制系統(tǒng)和CAN-BUS系統(tǒng)的互聯(lián)。并遵從J1939協(xié)議。
（8）J1939MFM（節(jié)點8）
J1939多功能汽車綜合參數(shù)儀表（汽車信息中心），可實現(xiàn)14種汽車運行參數(shù)的實時顯示（中文LCD），可編程300~5000Km歷史車況記錄并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(jié)點9）
實現(xiàn)J1939總線式汽車儀表。可適配多種國產(chǎn)或進口汽車儀表總成。
（10）J1939轉以太網(wǎng)/USB（網(wǎng)關節(jié)點10）
可實現(xiàn)以太網(wǎng)或USB接口與通用計算機連接進入J1939網(wǎng)絡,對總線負載率進行統(tǒng)計分析,開放API接口。
（11）J1939運行實時參數(shù)記錄（節(jié)點11）
接入J1939網(wǎng)絡可記錄20萬條運行參數(shù)，用于實時分析各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(shù)，并通過GMS/GPRS網(wǎng)絡接入Internet網(wǎng)絡服務器?？闺娮痈蓴_能力很強，適合汽車EMC要求。

上述系統(tǒng)中的這些節(jié)點單元可組成較完善的網(wǎng)絡測試環(huán)境，大多數(shù)單元已實現(xiàn)產(chǎn)品化。并適合汽車EMC要求。因而可與實際的汽車電子產(chǎn)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(yè)測試儀器后可組建CAN-BUS實驗室，該系統(tǒng)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件ECU為核心，開發(fā)并集成了J1939網(wǎng)絡系統(tǒng)仿真平臺V1.0版本。

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

三、技術展望

現(xiàn)代汽車是一個智能化網(wǎng)絡計算平臺。汽車網(wǎng)絡貫穿整車的每個單元即控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、駕駛系統(tǒng)和傳感執(zhí)行系統(tǒng)均由控制局域網(wǎng)CAN-BUS互連，掌握應用層網(wǎng)絡標準并開發(fā)嵌入式軟件是關鍵技術。

將車內的控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡如故障信息檢測系統(tǒng)，車況自動紀錄系統(tǒng)，實時駕駛信息顯示系統(tǒng)（智能化數(shù)字儀表）與嵌入式因特網(wǎng)互連（支持IPv4及IPv6）,使每個汽車有一個Web網(wǎng)頁，將會是今后汽車計算平臺的關鍵核心技術。