基于J1939 協議多包報文的時序研究及應用

潘文卿，付雨鑫，任 飛

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

基于J1939協議的多包報文主要有故障診斷相關報文DMx，例如DM1是記錄當前故障信息，屬于周期發送的報文，發送周期是1s，DM2是記錄歷史故障信息的報文，屬于PGN請求類報文，在收到PGN請求的時候才會發送此報文。其他的報文還有描述發動機配置信息的EC報文，描述緩速器配置信息的RC報文，EC和RC報文的固定周期是5s，其中當轉速或者扭矩百分比變化10%的時候會事件觸發1次，但是周期不會快于500ms。還有其他PGN請求類的多包報文，例如描述組件信息報文CI、軟件信息報文Soft。這些報文都會通過BAM廣播報文和PACK數據包報文發送，所以如何實現不丟包有序發送，時序配置管理非常關鍵。

1 J 1939協議

1.1 PGN定義

標準的J1939協議的地址為29bits，擴展幀地址如圖1所示，包含P優先級，長度是3bits，優先級范圍為0～7，0為最高優先級，7為最低優先級；R保留位1bit，DP為數據頁，長度是1bit；PF為PDU格式，長度是8bits；PS為PDU細節，長度是8bits；SA為源地址，長度是8個bit，表示當前報文是哪個控制器發出的，像發動機控制器為0x00，變速器控制器為0x03。當PF的范圍在0～239之間，即0x00～0xEF，PS為目的地址，PGN=PF×256；當PF的范圍在240～255之間，即0xF0～0xFF，PS為組擴展GE，PGN=PF×256+GE。

圖1 J1939協議擴展幀地址格式

以表1為例，報文Msg1和Msg2的PF為0xDA，小于0xF0，所以PGN都是0xDA00，Msg1的目的地址是0xF1，源地址是0x00，表示是控制器0x00發給控制器0xF1的報文，是點對點的報文；Msg2的目的地址是0x17，源地址是0xF1，表示Msg2是控制器0xF1發給控制器0x17的報文，同樣也是點對點的報文；Msg3的PF為0xF0在0xF0～0xFF范圍內，所以PS的值0x23為組擴展GE，所以PGN為0xF023，源地址SA為0x3D，這是一條廣播式報文，發送到總線上，只要有接收需求的控制器節點都可以獲取到此報文的信息。

表1 報文地址＆PGN

1.2 多包報文

基于標準的J1939協議，每條報文最多發送8個字節的數據，如果報文的內容超過8個字節，需要用多包報文進行傳輸。多包報文需要2條報文：一個是廣播報文BAM，一個是數據包報文PACK。兩個報文的定義如表2和表3所示。

表2 BAM報文定義

表3 PACK報文定義

BAM和PACK的報文發送時序為：先發送一條BAM報文廣播當前報文的總字節數，接下來要發送PACK的包數，以及此條報文的PGN參數，然后是數據包PACK報文，PACK報文的第1個字節表示當前數據包PACK報文的包數，報文的接收方會根據收到的BAM報文的PGN參數群編號和全部數據包數，有效數據字節數進行校驗判斷，接收到的數據包數和BAM中聲明的是否一致，如果不一致可能會存在丟數據、數據不完整等問題，會提示接收錯誤。

當前PGN的BAM報文和上一條同PGN的BAM報文的時間間隔為此條PGN多包報文的周期用T表示，BAM和第1條PACK的時間間隔用T表示，數據包PACK之間的時間間隔用T表示。T是報文的周期是固定的，T的時間和T可以通過標定量來實現自主標定，本論文是基于T=T=50ms進行設計的。

多包報文的錯誤處理機制設定：以DM1報文為例，說明當多包報文出現不同情況下的超時或者丟幀時的處理機制。接收方如果在4個T周期內未收到DM1的BAM報文，就會報出DM1報文超時的故障。如果收到了BAM報文，在4個T周期內如果沒有收到T報文，就會報出DM1報文BAM2PACK超時的故障。如果其中一個中間的PACK報文后面4個T周期未收到下一個PACK報文，就會報出DM1報文的PACK2PACK報文超時的故障。如果中間的PACK報文丟了一個或者兩個，就會報出DM1報文PACK報文丟幀的故障。如上的故障報出后，都會觸發錯誤處理機制，比如當前報文丟棄，沿用上一個周期的報文數據保持不變。

2 多包報文的時序研究

表4為多包周期報文信息，包含：DM1報文、EC報文、RC報文的報文地址，PGN，周期，字節數和包數。DM1報文按照J1939-73的規定，一個故障碼使用4個字節，故障系統中每次最多可以記錄20個故障，即82個字節，12包數據，但是一次同時出現20個情況比較少見，論文中以10個故障，42個字節為例。我們看到像DM1報文的地址0x18FECA00是不存在的，多包報文實際上只有BAM報文和PACK報文，接收方按照J1939多包報文的協議進行組合，會顯示解析到的0x18FECA00報文以及所有的數據。

表4 多包周期報文信息

DM1報文的周期是1s，EC報文和RC報文的周期是5s。每5個周期，DM1和EC，RC報文就會同時出現在一個周期中。設定EC報文的BAM報文相較于DM1報文的BAM時間間隔為T，用于研究DM1發送完成BAM后間隔多久開始發送EC報文的BAM報文；RC報文的BAM報文相較于DM1報文的BAM時間間隔為T，用于定義RC報文的BAM報文相較于DM1報文的BAM報文后的發送時機。

2.1 3個周期報文的時序研究

如圖2所示，T為390ms，T為790ms，DM1報文的一幀BAM報文和6幀PACK報文使用300ms即可發送完畢，最后一幀PACK（330.355537s）發送完畢后推遲90ms再發送EC報文的BAM報文（330.445528s），RC報文的BAM報文（330.845486s）與DM1的BAM報文（330.055545s）間隔是790ms，此時RC報文的BAM（330.845486s）與EC報文的最后一幀PACK報文（330.745516s）的時序間隔為100ms，這樣EC報文與RC報文的時間間隔有些浪費，可以進一步修正。

圖2 DM1＆EC＆RC報文的時序1

將T設定為310ms，T為620ms，將EC報文的BAM 報 文（2777.021331s）與DM1 最 后 一 幀PACK 報 文（2777.011292s）的 時 間 間 隔 和RC 報 文 的BAM 報 文（2777.021331s）與EC 報 文 最 后 一 幀 的PACK 報 文（2777.011292s）的時間間隔都設定為10ms，這樣會減少時序的浪費，如圖3所示。在報文都會有序發送的情況下，此方案是對時序的最佳設計，但是如果報文有延時，或者周期任務執行時有延時，對報文時序也會有影響。

圖3 DM1＆EC＆RC報文的時序2

當故障診斷系統出現當前最大故障個數20個故障碼的時候，DM1會有82個字節，12包數據，加上EC報文和RC報文的數據總共是21包數據，在1s的DM1時間周期內不能完成數據完整發送，所以，鑒于DM1報文的數據長度不固定性，為了達到時序的最優設置，可以將EC報文和RC報文拆開，分別放到兩個DM1周期中，將T設定為600ms，T為1600ms，如圖4所示。為DM1報文的可變包數留足空間，發 送 完 第1 個DM1 的BAM 報 文（567.938838s）后，間 隔600ms發送EC報文的BAM報文（568.538814s），在此周期內不再發送RC 報文，在第2 個DM1 報文的BAM 報文（568.938772s）后，間隔600ms再發送RC報文的BAM報文（569.538732s），此時RC報文的BAM報文（569.538732s）與第1個DM1報文的BAM報文（567.938838s）間隔1600ms。這樣可以很好地避免DM1突然增加數據包數而導致后面的EC或RC報文丟失的問題，同時還為突然而來的PGN請求的多包報文留下發送的空間，可以達到最優時序配置。

圖4 DM1＆EC＆RC報文的時序3

2.2 PGN請求多包報文的時序研究

在DM1報文、EC報文、RC報文周期發送的過程中，如果收到PGN請求報文時，會如何響應，接下來分如下幾種情況進行分析。

1）第1種情況：如圖5所示，在DM1報文的最后一幀PACK報文（3940.932138s）發送完成后，收到了PGN請求DM2報文（3941.386074s），此時會及時響應DM2報文，后面的EC報文和RC報文就不會再發送了，而是重新發送DM1報文（3941.632075s），再按照時序的設定發送后面的EC報文和RC報文。

圖5 DM1報文后面收到PGN請求報文

2）第2種情況：如圖6所示，PGN請求報文（5.026737s）在EC報文的BAM報文（4.093637s）之后收到，此時控制器會先回復一個否定響應，然后EC報文廢棄，后面的PACK報文不再發送，而是接著發送DM1報文（5.783483s）。在發送DM1報文的第4包PACK報文（5.983489s）和第5包PACK報文（6.033486s）之間收到PGN請求報文（6.101697s），此時影響DM1報文后面的PACK報文繼續發送，發送完成DM1后，發送PGN請求的DM2報文（6.103468s），DM2報文發送完成后，會重新發送DM1報文（6.7834132s），然后繼續發送EC報文。也就是說，在BAM報文后發送PGN請求報文時，不予響應，廢棄當前的多包周期報文，也不響應請求的多包報文，而是從DM1報文重新發送。在DM1報文的PACK報文之間收到PGN多包報文請求時，待DM1報文的PACK報文發送完畢之后，會繼續響應被請求的多包報文，被請求的多包報文發送完畢之后，先發送DM1報文再按照時序發送EC、RC周期報文。

圖6 BAM之后收到PGN請求報文

3）第3種情況：在非DM1報文的PACK報文之間收到PGN請求報文，如圖7所示。此時會回復一個負響應，繼續完成PACK報文的發送，不能影響當前的報文有序發送，待報文發送完成后，之前的PGN請求報文也不再發送了，會繼續按照設定的多包報文的時序完成DM1報文、EC報文和RC報文的發送。此時序的設置是因為EC和RC的發送都是基于DM1的BAM報文做的時序偏移，不能影響DM1報文的周期發送。

圖7 RC報文PACK之間收到PGN請求報文

所以在固定周期的多包報文發送的過程中，不同的時間段收到PGN請求報文會有不同的處理機制，在不影響周期最小的多包報文的前提下完成PGN請求多包報文的發送。

3 結論

本文基于標準的J1939協議，完成了DM1報文、EC報文和RC報文3條固定周期的多包報文的時序設定機制的研究，考慮到DM1報文的長度是可變的，又考慮到上一個報文的PACK與當前報文的BAM報文的時間間隔最優設定設置了DM1、EC、RC3條報文的最佳時序配置。同時考慮到還有部分PGN請求報文在不同時間段進行事件觸發，設定了不同的處理機制。DM1報文是周期最小的多包報文，周期時序的設置和PGN請求的不同處理機制都是以對DM1報文影響最小的前提下做的處理機制設定，為多包報文的有序完整發送提供了理論和實踐數據基礎。