基于LabVIEW和J1939協(xié)議的CAN總線通訊平臺(tái)構(gòu)建

摘要：使用NI LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)和PXI模塊化儀器系統(tǒng)中的CAN通訊模塊，創(chuàng)建過濾識(shí)別J1939協(xié)議報(bào)文標(biāo)識(shí)符ID及多幀報(bào)文按協(xié)議格式解析接收和封裝發(fā)送的設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建基于J1939協(xié)議的CAN總線通訊平臺(tái)，完成整車電環(huán)境半實(shí)物仿真、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)CAN總線信息的收發(fā)解析、存貯及實(shí)時(shí)顯示。

關(guān)鍵詞：LabVIEW軟件；J1939協(xié)議；CAN總線；PXI測(cè)控裝置

中圖分類號(hào)：TP335 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2011）06-0018-05

Build of CAN Communication Platform Based on LabVIEW and J1939 Protocal

ZHOU Yue-gang

（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL，Wuhan 430056，China）

Abstract：Using NI LabVIEW software development platform and the CAN communication module in the PXI module instrumentation，design a process for filtering and identificating ID of J1939 protocol and analyzing multi-frame message to receive and packaging to send. Building a communication platform based on the J1939 protocol CAN bus，complete vehicle electrical environment-loop simulation，and engine test bed information on the CAN bus transceiver analysis，and storage and real-time display.

Key words：LabVIEW；J1939 protocol；CAN bus；PXI monitoring devices

進(jìn)入21世紀(jì)以來，商用車CAN總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用得到了異常迅猛的發(fā)展。現(xiàn)今市面上滿足國3～國5排放標(biāo)準(zhǔn)的商用車，無一例外的均應(yīng)用CAN總線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行整車VECU、發(fā)動(dòng)機(jī)EECU、自動(dòng)變速箱ECU、汽車組合儀表ECU、輪胎防抱死制動(dòng)ECU之間的數(shù)據(jù)通訊。基于J1939協(xié)議的商用車CAN總線，針對(duì)單片機(jī)微控制器MCU節(jié)點(diǎn)的MCU + CAN控制器 + CAN收發(fā)器的CAN通訊接口，在車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中得到了大量應(yīng)用；而對(duì)整車道路試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)、整車電環(huán)境半實(shí)物仿真測(cè)試的上位機(jī)節(jié)點(diǎn)的PC機(jī)或筆記本電腦 + CAN通訊模塊，大都使用價(jià)格昂貴的Vector CANoe模塊。

測(cè)試中存在的問題：

（1）PXI測(cè)控裝置無基于J1939協(xié)議的CAN通訊功能，不能滿足試驗(yàn)工況對(duì)CAN總線報(bào)文信息分析的功能需求；

（2）CANoe模塊時(shí)序不受PXI儀器時(shí)鐘速率控制，無法與PXI時(shí)序的其它測(cè)量參數(shù)同步觸發(fā)測(cè)量。

基于LabVIEW和J1939協(xié)議的CAN總線通訊技術(shù)方法實(shí)施，在國內(nèi)汽車行業(yè)PXI測(cè)控裝置的應(yīng)用屬于空白，難點(diǎn)是如何將LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)與復(fù)雜的J1939協(xié)議有效的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)報(bào)文信息的過濾接收、合成重組及封裝發(fā)送。

面對(duì)商用車CAN總線通訊網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，構(gòu)建基于LabVIEW和J1939協(xié)議的CAN總線通訊平臺(tái)，嵌入在NI PXI模塊化接口的測(cè)控裝置中，用于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)、整車電環(huán)境半實(shí)物仿真測(cè)試。

1 J1939協(xié)議

J1939協(xié)議以CAN2.0B規(guī)范為基礎(chǔ)制定，對(duì)CAN2.0B擴(kuò)展幀29位標(biāo)識(shí)符ID定義形成J1939的編碼系統(tǒng)，包括優(yōu)先級(jí)P、預(yù)留位R、數(shù)據(jù)頁DP、協(xié)議數(shù)據(jù)單元PF、擴(kuò)展單元PS、源地址SA和數(shù)據(jù)字節(jié)Data，如圖1所示。這七部分在開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI）應(yīng)用層［1］，通過協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（Protocal Data Unit）被封裝成一個(gè)或多個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀，通過物理層［2］ ［3］發(fā)送給總線網(wǎng)絡(luò)其它設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

1.1 PDU格式

PDU定義了數(shù)據(jù)幀中與J1939協(xié)議相關(guān)的信息，由標(biāo)識(shí)符ID和數(shù)據(jù)場(chǎng)組成，見圖1。

PDU1格式報(bào)文PF在0～239之間，報(bào)文為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)向目標(biāo)地址發(fā)送，PS：報(bào)文接收的目標(biāo)地址，SA：報(bào)文發(fā)送的源地址，在目標(biāo)地址中填入255，為全局地址發(fā)送。

PDU2格式報(bào)文PF在240～255之間，報(bào)文向全局地址發(fā)送，PS：參數(shù)組擴(kuò)展值，J1939協(xié)議大部分報(bào)文為PDU2格式。

PDU數(shù)據(jù)場(chǎng)包含參數(shù)組中數(shù)據(jù)內(nèi)容，參數(shù)組編號(hào)PGN（Parameter Group Number）用于唯一標(biāo)識(shí)參數(shù)組的號(hào)碼，由一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)構(gòu)成一幀或多幀報(bào)文，而參數(shù)組是應(yīng)用層中定義的與某個(gè)ECU相關(guān)的若干參數(shù)（例如發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、燃油溫度等）的組合。

1.2 J1939協(xié)議與CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)區(qū)別

1.2.1 標(biāo)識(shí)符ID

CAN2.0B不同功能的報(bào)文信息可以使用相同的ID，根據(jù)制造商特定的協(xié)議使用CAN設(shè)備，在集成時(shí)會(huì)產(chǎn)生ID不能識(shí)別或識(shí)別不一致問題。J1939每幀報(bào)文的標(biāo)識(shí)符唯一，且每幀報(bào)文都有自己的PGN，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)規(guī)定唯一的源地址，并將源地址映射到CAN標(biāo)識(shí)符中，避免多個(gè)節(jié)點(diǎn)使用相同的標(biāo)識(shí)符；例如ID：0CF00400代表發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩報(bào)文。

1.2.2 OSI模型

開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型如圖2所示，CAN2.0規(guī)范定義了七層OSI參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層［4］，是低層標(biāo)準(zhǔn)，CAN總線產(chǎn)品的兼容性、互換性和可集成性差。J1939是面向OSI參考模型應(yīng)用層的高層協(xié)議，在應(yīng)用層定義了針對(duì)車輛應(yīng)用的信號(hào)（參數(shù)）和報(bào)文（參數(shù)組）。通過參數(shù)描述信號(hào)，并給每個(gè)參數(shù)分配了一個(gè)編號(hào)SPN（Suspect Parameter Number），參數(shù)定義了PDU數(shù)據(jù)場(chǎng)中字節(jié)的物理意義，例如SPN190代表發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；狀態(tài)參數(shù)表示具有多態(tài)信號(hào)的某一種狀態(tài)，例如發(fā)動(dòng)機(jī)巡航控制/扭矩限值/轉(zhuǎn)速限值/怠速設(shè)定；測(cè)量參數(shù)反映接收到的信號(hào)值具體大小，例如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/扭矩/燃油消耗量。一個(gè)PGN中可能有幾個(gè)SPN，PGN61444包含了SPN190發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和SPN513發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩等參數(shù)。

1.2.3 多幀報(bào)文

CAN2.0B規(guī)范定義只能使用單幀報(bào)文傳輸，J1939協(xié)議除單幀報(bào)文傳輸外，還使用對(duì)話式、廣播式多幀報(bào)文傳輸，并按多幀數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行打包封裝發(fā)送和接收合成重組處理，其中對(duì)話式多幀報(bào)文發(fā)送接收節(jié)點(diǎn)需要握手協(xié)議，廣播式多幀報(bào)文面向全局地址發(fā)送。

2 CAN總線通訊平臺(tái)

2.1 模塊接口

PXI-8464/2雙通道CAN2.0B通訊接口模塊，內(nèi)含SJA1000T CAN控制器和TJA1041T高速CAN收發(fā)器及TJA1054AT低速CAN收發(fā)器。J1939數(shù)據(jù)鏈路層通過PDU格式實(shí)現(xiàn)報(bào)文的打包封裝，通過CAN控制器組織、發(fā)送CAN數(shù)據(jù)幀具有必須的同步、順序控制、錯(cuò)誤控制和流控制，自動(dòng)產(chǎn)生CRC校驗(yàn)位和ACK應(yīng)答位插入數(shù)據(jù)幀中。

J1939物理層協(xié)議規(guī)定了每個(gè)網(wǎng)段最多30個(gè)ECU，CAN總線通訊速率250k Bits/s，總線電平顯性、隱性，差分電壓3.5V/1.5V，差分傳輸雙絞線線纜顏色CAN-H黃色、CAN-L綠色，CAN收發(fā)器完成MCU至CAN總線之間收發(fā)電平的匹配轉(zhuǎn)換。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

基于LabVIEW和J1939協(xié)議的CAN總線報(bào)文收發(fā)多任務(wù)處理流程，如圖3所示，采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者循環(huán)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)者循環(huán)使用“元素入隊(duì)列”函數(shù)向報(bào)文簇隊(duì)列中添加數(shù)據(jù)，消費(fèi)者循環(huán)使用“元素出隊(duì)列”函數(shù)從報(bào)文簇隊(duì)列中移出數(shù)據(jù)。循環(huán)間采用隊(duì)列的方式進(jìn)行操作，消除多任務(wù)處理競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，當(dāng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)比消費(fèi)處理數(shù)據(jù)的速度快時(shí)，隊(duì)列的緩沖作用保證報(bào)文數(shù)據(jù)不丟失。

建立接收?qǐng)?bào)文ID解析過濾的識(shí)別方法。確定報(bào)文標(biāo)識(shí)符ID的枚舉型狀態(tài)變量識(shí)別報(bào)文，根據(jù)狀態(tài)變量條件結(jié)構(gòu)過濾報(bào)文。

PDU1、PDU2格式單幀報(bào)文全部入隊(duì)列，數(shù)據(jù)場(chǎng)大于8字節(jié)的對(duì)話式、廣播式多幀報(bào)文按J1939協(xié)議多幀數(shù)據(jù)合成重組后入隊(duì)列，其它無數(shù)據(jù)場(chǎng)的報(bào)文幀舍去，處理完的接收?qǐng)?bào)文簇分解后出隊(duì)列計(jì)算、存貯和顯示。

建立發(fā)送報(bào)文ID解析封裝的識(shí)別方法。報(bào)文解析首先確定幀類型狀態(tài)變量，其次根據(jù)狀態(tài)變量的條件判斷，進(jìn)行報(bào)文格式的封裝定義。

數(shù)據(jù)場(chǎng)小于或等于8字節(jié)的PDU1、PDU2單幀發(fā)送報(bào)文直接入隊(duì)列，數(shù)據(jù)場(chǎng)大于8字節(jié)的對(duì)話式、廣播式多幀報(bào)文按J1939協(xié)議多幀數(shù)據(jù)處理打包封裝簇合成后入隊(duì)列，處理完的J1939發(fā)送報(bào)文簇分解后出隊(duì)列并寫入CAN口。

3 應(yīng)用效果

在整車電環(huán)境的半實(shí)物仿真報(bào)文接收測(cè)試試驗(yàn)中，應(yīng)用圖4所示的基于LabVIEW和J1939協(xié)議的CAN總線通訊平臺(tái)，與Vector CANoe模塊在同一時(shí)間段比對(duì)測(cè)試，接收的某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況EECU報(bào)文如圖5所示，一秒內(nèi)接收EECU發(fā)出的526幀報(bào)文，比對(duì)測(cè)試接收的報(bào)文無丟失現(xiàn)象。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量報(bào)文，實(shí)時(shí)反映了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，在商用車J1939協(xié)議CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，分別被車輛VECU接收，作為換擋控制策略控制自動(dòng)變速箱汽車；組合儀表ECU接收并實(shí)時(shí)顯示，提示駕駛員形成良好的駕駛習(xí)慣，操縱汽車達(dá)到最佳燃油經(jīng)濟(jì)性的路況行駛。為使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得最佳的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和兼顧排放達(dá)標(biāo)，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元EECU進(jìn)行標(biāo)定匹配，獲得最佳噴油脈寬的標(biāo)定參數(shù)。標(biāo)定之后做比對(duì)試驗(yàn)，驗(yàn)證EECU的標(biāo)定效果。

發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況試驗(yàn)，能夠反映車輛的等速工況；而發(fā)動(dòng)機(jī)變工況瞬態(tài)試驗(yàn)，能夠模擬實(shí)際道路循環(huán)中發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)。通過將實(shí)時(shí)報(bào)文油耗和實(shí)際測(cè)量瞬態(tài)油耗的對(duì)比，研究?jī)烧咧g的對(duì)應(yīng)吻合關(guān)系，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)EECU的控制效果。

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)+工況臺(tái)架試驗(yàn)瞬態(tài)油耗比對(duì)測(cè)量曲線見圖6，從J1939協(xié)議CAN總線接收并解析的EECU油耗報(bào)文數(shù)據(jù)，與臺(tái)架油耗儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)存在差異，即發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)實(shí)際噴油量較小，設(shè)定噴油量與實(shí)際噴油量的差異比值較大。這個(gè)差異是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷共軌軌壓波動(dòng)較大，導(dǎo)致噴油量波動(dòng)變化而客規(guī)存在。總體兩條曲線吻合相當(dāng)一致，通過CAN總線接收的發(fā)動(dòng)機(jī)噴油目標(biāo)值，與實(shí)際測(cè)量值接近，且變化趨勢(shì)和時(shí)序同步，反映了發(fā)動(dòng)機(jī)EECU標(biāo)定匹配獲得了最佳噴油脈寬的目標(biāo)值。

4 總結(jié)

基于LabVIEW和J1939協(xié)議的NI PXI模塊化系統(tǒng)架構(gòu)的CAN總線通訊平臺(tái)的開發(fā)，建立了PXI CAN模塊在商用車CAN總線通訊的應(yīng)用基礎(chǔ)，項(xiàng)目具有推廣和商品應(yīng)用前景。在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)、整車電環(huán)境半實(shí)物仿真分析中，實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線報(bào)文信息的過濾識(shí)別、合成接收、封裝發(fā)送、解析計(jì)算及存貯顯示。

應(yīng)用LabVIEW軟件平臺(tái)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析運(yùn)算及隊(duì)列處理能力，滿足試驗(yàn)工況對(duì)CAN總線報(bào)文信息解析的功能需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)文數(shù)據(jù)與NI PXI儀器其它測(cè)量參數(shù)同步采樣，試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)分析處理具有實(shí)時(shí)性和真實(shí)性。

參考文獻(xiàn)：

［1］ SAE J1939-11［S］.物理層.

［2］ SAE J1939-13［S］.物理層.

［3］ SAE J1939-71［S］.車輛應(yīng)用層.

［4］ SAE J1939-21［S］.數(shù)據(jù)鏈路層.