基于LabVIEW和J1939協議的CAN總線通訊平臺構建

摘要：使用NI LabVIEW軟件開發平臺和PXI模塊化儀器系統中的CAN通訊模塊，創建過濾識別J1939協議報文標識符ID及多幀報文按協議格式解析接收和封裝發送的設計方法，構建基于J1939協議的CAN總線通訊平臺，完成整車電環境半實物仿真、發動機臺架試驗CAN總線信息的收發解析、存貯及實時顯示。

關鍵詞：LabVIEW軟件；J1939協議；CAN總線；PXI測控裝置

中圖分類號：TP335 文獻標志碼：A 文章編號：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

進入21世紀以來，商用車CAN總線網絡的應用得到了異常迅猛的發展。現今市面上滿足國3～國5排放標準的商用車，無一例外的均應用CAN總線網絡，進行整車VECU、發動機EECU、自動變速箱ECU、汽車組合儀表ECU、輪胎防抱死制動ECU之間的數據通訊。基于J1939協議的商用車CAN總線，針對單片機微控制器MCU節點的MCU + CAN控制器 + CAN收發器的CAN通訊接口，在車載網絡控制系統中得到了大量應用；而對整車道路試驗、發動機臺架試驗、整車電環境半實物仿真測試的上位機節點的PC機或筆記本電腦 + CAN通訊模塊，大都使用價格昂貴的Vector CANoe模塊。

測試中存在的問題：

（1）PXI測控裝置無基于J1939協議的CAN通訊功能，不能滿足試驗工況對CAN總線報文信息分析的功能需求；

（2）CANoe模塊時序不受PXI儀器時鐘速率控制，無法與PXI時序的其它測量參數同步觸發測量。

基于LabVIEW和J1939協議的CAN總線通訊技術方法實施，在國內汽車行業PXI測控裝置的應用屬于空白，難點是如何將LabVIEW軟件開發平臺與復雜的J1939協議有效的結合，實現報文信息的過濾接收、合成重組及封裝發送。

面對商用車CAN總線通訊網絡的特點，構建基于LabVIEW和J1939協議的CAN總線通訊平臺，嵌入在NI PXI模塊化接口的測控裝置中，用于發動機臺架試驗、整車電環境半實物仿真測試。

1 J1939協議

J1939協議以CAN2.0B規范為基礎制定，對CAN2.0B擴展幀29位標識符ID定義形成J1939的編碼系統，包括優先級P、預留位R、數據頁DP、協議數據單元PF、擴展單元PS、源地址SA和數據字節Data，如圖1所示。這七部分在開放式系統互聯參考模型（OSI）應用層［1］，通過協議數據單元PDU（Protocal Data Unit）被封裝成一個或多個CAN數據幀，通過物理層［2］ ［3］發送給總線網絡其它設備節點。

1.1 PDU格式

PDU定義了數據幀中與J1939協議相關的信息，由標識符ID和數據場組成，見圖1。

PDU1格式報文PF在0～239之間，報文為點對點向目標地址發送，PS：報文接收的目標地址，SA：報文發送的源地址，在目標地址中填入255，為全局地址發送。

PDU2格式報文PF在240～255之間，報文向全局地址發送，PS：參數組擴展值，J1939協議大部分報文為PDU2格式。

PDU數據場包含參數組中數據內容，參數組編號PGN（Parameter Group Number）用于唯一標識參數組的號碼，由一個或幾個參數構成一幀或多幀報文，而參數組是應用層中定義的與某個ECU相關的若干參數（例如發動機水溫、燃油溫度等）的組合。

1.2 J1939協議與CAN2.0B標準區別

1.2.1 標識符ID

CAN2.0B不同功能的報文信息可以使用相同的ID，根據制造商特定的協議使用CAN設備，在集成時會產生ID不能識別或識別不一致問題。J1939每幀報文的標識符唯一，且每幀報文都有自己的PGN，為每個節點規定唯一的源地址，并將源地址映射到CAN標識符中，避免多個節點使用相同的標識符；例如ID：0CF00400代表發動機轉速、扭矩報文。

1.2.2 OSI模型

開放式系統互聯參考模型如圖2所示，CAN2.0規范定義了七層OSI參考模型的物理層和數據鏈路層［4］，是低層標準，CAN總線產品的兼容性、互換性和可集成性差。J1939是面向OSI參考模型應用層的高層協議，在應用層定義了針對車輛應用的信號（參數）和報文（參數組）。通過參數描述信號，并給每個參數分配了一個編號SPN（Suspect Parameter Number），參數定義了PDU數據場中字節的物理意義，例如SPN190代表發動機轉速；狀態參數表示具有多態信號的某一種狀態，例如發動機巡航控制/扭矩限值/轉速限值/怠速設定；測量參數反映接收到的信號值具體大小，例如發動機轉速/扭矩/燃油消耗量。一個PGN中可能有幾個SPN，PGN61444包含了SPN190發動機轉速和SPN513發動機扭矩等參數。

1.2.3 多幀報文

CAN2.0B規范定義只能使用單幀報文傳輸，J1939協議除單幀報文傳輸外，還使用對話式、廣播式多幀報文傳輸，并按多幀數據傳輸協議進行打包封裝發送和接收合成重組處理，其中對話式多幀報文發送接收節點需要握手協議，廣播式多幀報文面向全局地址發送。

2 CAN總線通訊平臺

2.1 模塊接口

PXI-8464/2雙通道CAN2.0B通訊接口模塊，內含SJA1000T CAN控制器和TJA1041T高速CAN收發器及TJA1054AT低速CAN收發器。J1939數據鏈路層通過PDU格式實現報文的打包封裝，通過CAN控制器組織、發送CAN數據幀具有必須的同步、順序控制、錯誤控制和流控制，自動產生CRC校驗位和ACK應答位插入數據幀中。

J1939物理層協議規定了每個網段最多30個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收發器完成MCU至CAN總線之間收發電平的匹配轉換。

2.2 軟件設計

基于LabVIEW和J1939協議的CAN總線報文收發多任務處理流程，如圖3所示，采用生產者/消費者循環數據結構。生產者循環使用“元素入隊列”函數向報文簇隊列中添加數據，消費者循環使用“元素出隊列”函數從報文簇隊列中移出數據。循環間采用隊列的方式進行操作，消除多任務處理競爭狀態，當生產數據比消費處理數據的速度快時，隊列的緩沖作用保證報文數據不丟失。

建立接收報文ID解析過濾的識別方法。確定報文標識符ID的枚舉型狀態變量識別報文，根據狀態變量條件結構過濾報文。

PDU1、PDU2格式單幀報文全部入隊列，數據場大于8字節的對話式、廣播式多幀報文按J1939協議多幀數據合成重組后入隊列，其它無數據場的報文幀舍去，處理完的接收報文簇分解后出隊列計算、存貯和顯示。

建立發送報文ID解析封裝的識別方法。報文解析首先確定幀類型狀態變量，其次根據狀態變量的條件判斷，進行報文格式的封裝定義。

數據場小于或等于8字節的PDU1、PDU2單幀發送報文直接入隊列，數據場大于8字節的對話式、廣播式多幀報文按J1939協議多幀數據處理打包封裝簇合成后入隊列，處理完的J1939發送報文簇分解后出隊列并寫入CAN口。

3 應用效果

在整車電環境的半實物仿真報文接收測試試驗中，應用圖4所示的基于LabVIEW和J1939協議的CAN總線通訊平臺，與Vector CANoe模塊在同一時間段比對測試，接收的某型號發動機穩態工況EECU報文如圖5所示，一秒內接收EECU發出的526幀報文，比對測試接收的報文無丟失現象。

發動機燃油消耗量報文，實時反映了發動機燃油經濟性，在商用車J1939協議CAN總線網絡中，分別被車輛VECU接收，作為換擋控制策略控制自動變速箱汽車；組合儀表ECU接收并實時顯示，提示駕駛員形成良好的駕駛習慣，操縱汽車達到最佳燃油經濟性的路況行駛。為使發動機獲得最佳的動力性、經濟性和兼顧排放達標，需要對發動機電控單元EECU進行標定匹配，獲得最佳噴油脈寬的標定參數。標定之后做比對試驗，驗證EECU的標定效果。

發動機穩態工況試驗，能夠反映車輛的等速工況；而發動機變工況瞬態試驗，能夠模擬實際道路循環中發動機狀態。通過將實時報文油耗和實際測量瞬態油耗的對比，研究兩者之間的對應吻合關系，判斷發動機EECU的控制效果。

某型號發動機+工況臺架試驗瞬態油耗比對測量曲線見圖6，從J1939協議CAN總線接收并解析的EECU油耗報文數據，與臺架油耗儀實測數據在發動機低負荷時存在差異，即發動機低負荷時實際噴油量較小，設定噴油量與實際噴油量的差異比值較大。這個差異是因為發動機低負荷共軌軌壓波動較大，導致噴油量波動變化而客規存在。總體兩條曲線吻合相當一致，通過CAN總線接收的發動機噴油目標值，與實際測量值接近，且變化趨勢和時序同步，反映了發動機EECU標定匹配獲得了最佳噴油脈寬的目標值。

4 總結

基于LabVIEW和J1939協議的NI PXI模塊化系統架構的CAN總線通訊平臺的開發，建立了PXI CAN模塊在商用車CAN總線通訊的應用基礎，項目具有推廣和商品應用前景。在發動機臺架試驗、整車電環境半實物仿真分析中，實現對CAN總線報文信息的過濾識別、合成接收、封裝發送、解析計算及存貯顯示。

應用LabVIEW軟件平臺強大的數學分析運算及隊列處理能力，滿足試驗工況對CAN總線報文信息解析的功能需求，同時實現對報文數據與NI PXI儀器其它測量參數同步采樣，試驗數據比對分析處理具有實時性和真實性。

參考文獻：

［1］ SAE J1939-11［S］.物理層.

［2］ SAE J1939-13［S］.物理層.

［3］ SAE J1939-71［S］.車輛應用層.

［4］ SAE J1939-21［S］.數據鏈路層.