汽車道路性能測試系統CAN總線通信協議

張儀棟 ， 謝東坡

（1.重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122；2.國家客車質量監督檢驗中心，重慶 401122）

0 引 言

汽車道路性能測試是汽車新產品進入市場前質量檢驗的最后一環，非常關鍵。由于其涉及參數多、參數異質化較大、參數實時性要求高，需不同類型的數據采集單元協調完成。數采單元間數據交換，需通信總線支撐，控制器局域網 （controller area network，CAN）是目前應用于汽車ECU中最廣泛的總線，考慮到汽車道路性能測試與車載ECU的數據交換，CAN總線成為汽車道路性能測試系統最理想的選擇[1]。

在各種CAN應用層協議中，美國電氣工程師協會（SAE）制定了適用于卡車和客車的J1939協議，它是一種支持閉環控制的在多個ECU之間高速通信的網絡協議，并得到了廣泛的應用。雖然汽車道路性能測試的數采單元需要與車載ECU進行數據交換，但數采單元間通信又有其特殊性要求，所以不能完全照搬J1939協議[2]。

本文按照制定通信協議的基本原則，在設計汽車道路性能測試系統網絡拓撲結構后，基于J1939制定了適用于汽車道路性能測試系統的通用應用層協議。

1 制定通信協議的基本原則

CAN協議的制定一般包括物理層、數據鏈路層和應用層3個方面。目前物理層及數據鏈路層在相應的國際標準中都進行了完整地定義，因此CAN通信協議的制定主要集中在應用層。

應用層完成標識符分配、多報文數據包的傳輸等功能。本文的應用層協議遵循J1939規范，充分考慮客車道路性能測試系統結構特點，給每個節點都分配固定的標識地址；同時在充分考慮各節點數據傳輸實時性要求、數據的相對重要程度、控制算法對節點處理速度的要求等因素后完成標識符（identifier，ID）分配、定義消息周期以及確定信號與消息的映射關系等[3-4]。

圖1 J1939協議與CAN協議ID比較圖

J1939協議與CAN協議的29位ID對應關系如圖1所示。

制定應用層協議的基本規則如下：

（1）節點源地址（source address，SA）。網絡中的一個數采板對應唯一一個SA，在選擇節點地址時按照節點重要性來排序，重要性越高的節點地址越小。地址定義使用208～231這段屬于公路用車的預留地址[5]。

（2）參數組定義及編碼。對數采板節點的參數組定義時，盡量將功能相似、刷新率相同或相近的參放在同一個參數組中，這樣可以減少報文的數量、降低總線負載；參數組既要能夠充分利用8個字節的數據寬度，又要考慮擴展性，預留一部分字節或位，以便將來進行修改。參數組編碼（parameter group number，PGN）由協議數據單元格式（protocal data unit format，PF）和協議數據單元特定域（protocal data unit specific，PS）2個字節數據編碼而成，按照參數組的重要程度及傳輸方式（廣播或一對一傳輸）不同分配不同的PGN號[6-7]。

（3）優先級（priority，P）。優先級共有 8 級，最高級0，最低級7。報文優先級可以設置，所有從控制源發出的報文缺省優先級為2，所有信息的、專用的、請求和應答報文的缺省優先級為5，根據報文實時性的要求可適當修改優先級，產品序列信息使用最低優先級7。

2 汽車道路性能測試系統網絡拓撲結構

汽車道路性能測試涉及的信號可歸結為6類，見表1。這些不同類型的信號通過相應的板卡采集，板卡經過同步時鐘信號同步后作為節點接入CAN網絡。圖2給出了汽車道路性能測試系統的網絡拓撲結構。

考慮到系統的穩定性，該網絡拓撲結構可掛載18個節點（圖中給出了6個），包括模擬量采集板、數字量采集板等6個類別，節點源地址SA采用J1939協議中預留碼段，實時性要求高的節點SA最小；總線兩端各加120Ω的終端匹配抑制信號反射，提高系統可靠性[9]；波特率為500kb/s。

表1 汽車道路性能測試信號分類

圖2 客車道路性能測試系統的網絡拓撲結構

3 汽車道路性能測試系統網絡總線通信協議

J1939協議的典型參數組定義如表2所示。

表2 J1939規定的6個典型參數信息

該協議為了擴展方便，參數組的PDU的PF值從242開始，全部采用PDU2格式（廣播傳輸），PS從0至5開始依次分配給模擬量采集板、數字量采集板、微波采集板、開關量采集板、溫度采集板、通信板。CAN報文接收時通過對屏蔽器和過濾器進行設置，每個數采板即可接收到所需參數。當得到某個參數組幀以后，就可以根據參數所在數據域的字節位置提取其對應的原始數，再根據該參數對應的分辨率和偏移量得到參數值，其計算公式為：參數值=參數原始數×分辨率+偏移量。參數組的各數據字節都定義為8個字節，并統一將最后一個字節保留，用于傳輸故障診斷信息[5-6]。

表3 典型參數組定義

限于篇幅，表3僅列出了模擬量板的參數組信息。模擬量板參數組用于將數采端口定義信息（電壓極性、偏移、增益等）、AD采樣值、故障代碼等信息向全局廣播。

4 通信協議的驗證

該協議目前已經成功應用在GCM06plus型機動車道路性能綜合測試儀上。該儀器的CAN網絡中一共有9個節點，包括：2個模擬量節點、2個數字量節點、1個GPS信號節點、1個開關量節點、1個溫度節點、2個通信節點。以汽車制動性能測試為例，各節點將采集的制動踏板力、管路壓力、車速、制動觸發標記等信號及從車載ECU報文解析出的發動機轉速、發動機冷卻液溫度、發動機機油壓力等信號以廣播的方式在網絡中發布，最后通過以太網通信節點進行綜合處理。圖3為測試曲線及結果，從圖中可以看出，各類參數均能按照本協議正常傳輸并滿足實時性要求。

圖3 汽車制動測試速度曲線及結果

5 結束語

本文對比分析了汽車道路性能測試特點及J1939協議的適用性。在借鑒J1939協議的基礎上，制定了汽車道路性能測試系統CAN總線應用層通信協議應遵循的基本原則。并設計了網絡拓撲結構，給出了通信協議的具體定義，協議有效性在GCM06型機動車道路性能綜合測試儀中得到驗證。

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