新能源工程機械CAN總線報文解析

摘 要：近幾年，隨著技術的發(fā)展，應用CAN總線系統(tǒng)的工程車越來越多。與普通線路相比，CAN總線具有各電器系統(tǒng)相對獨立，相互之間關聯(lián)較少，線路相對簡單等特點。只要能夠掌握CAN總線原理，車輛各電氣系統(tǒng)的原理圖，CAN總線各模塊功能及其在車上的位置，就能通過故障現(xiàn)象，迅速準確地排除故障。本文針對新能源工程機械報文解析在故障診斷的方面應用，通過報文的獲取，報文解析進而確定故障原因。

關鍵詞：CAN協(xié)議 報文 報文格式 報文解析

1 CAN協(xié)議概述

1.1 相關術語介紹

總線：節(jié)點（功能部件）間信息交換技術；作一個比喻：電腦處理信息就好像在不斷穿梭接送乘客的BUS，而各個計算機部件就是一個個車站，從而將信息連接到每個計算機部件的。

CAN總線：CAN總線是英文Controller Area Network的縮寫，就是某種信息交換技術的網(wǎng)絡布置方法。其等效原理如圖1。

總線分類：在工程機械上已經(jīng)出現(xiàn)了多種總線標準，從總線所實現(xiàn)的功能角度分，

可分為兩類：

一類是控制策略驅(qū)動的總線，如SAE的J1850、德國大眾的ABUS、博世的CAN、ISO11898和ISO11519、美國商用機器的AutoCAN、ISO的VAN、馬自達的PALMNET、以及用于低速場合的LIN等。

一類是以大量數(shù)據(jù)傳輸為目的的多媒體總線，如IDB-C、IDB-1394、MOST、AMIC-C等。

協(xié)議：網(wǎng)絡協(xié)議的簡稱，通訊雙方必須共同遵從的一組約定。簡單的說了，網(wǎng)絡中的節(jié)點要能夠互相順利的通信，就必須講同樣的語言，協(xié)議就相當于符號化的語言。工程機械中采用J1939CAN網(wǎng)絡協(xié)議。

1.2 通訊協(xié)議的三要素

a：語法：數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式；簡單的說，類似語言中的：主謂賓，定狀補

b：語義：結(jié)構(gòu)或格式中每部分所表示的現(xiàn)實含義。如：何種控制、何種響應等

c：時序：事件實現(xiàn)順序的詳細描述

在CAN協(xié)議中存在大量專業(yè)術語，在此不再敖述，可以參考CAN網(wǎng)絡協(xié)議標準[1]。

2 何為報文

報文：將位于應用層的信息分組稱為報文，是網(wǎng)絡傳輸中的數(shù)據(jù)單元，包含了數(shù)據(jù)的完整性。以幀為最小傳輸單位，長度不限且可變。在網(wǎng)絡傳輸過程中不斷的封裝為段、組、包、幀來傳輸。封裝的本質(zhì)就是添加一些信息域俗稱報文頭。

（1）數(shù)據(jù)單元：報文是計算機網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元。它是信息在網(wǎng)絡中傳遞的基本單位，類似于日常生活中的信件或郵包。

（2）封裝和解封裝：報文在傳輸前需要經(jīng)過封裝的過程，即將數(shù)據(jù)添加額外的頭部信息，以便在網(wǎng)絡中正確傳遞到目標位置。在目標位置，報文會被解封裝，也就是將頭部信息去除，還原出原始的數(shù)據(jù)。

（3）標識信息：報文通常包含標識信息，例如源地址和目標地址，以確保數(shù)據(jù)被正確傳送到目標設備，并讓接收方知道報文的來源。此外還有控制信息、仲裁信息、檢驗信息等。

（4）通信協(xié)議：報文的格式和規(guī)則由通信協(xié)議定義。不同的應用和協(xié)議可能會使用不同的報文格式，但它們都遵循相應協(xié)議規(guī)定的結(jié)構(gòu)和處理方式。

CAN通訊協(xié)議的基本格式：如圖2所示。

基本格式=報文頭+報文體+報文尾。

報文頭：包含通訊開始時所涉及的必要標識信息，例如控制信息、仲裁信息、功能信息、擴展信息、源地址、目標地址等，對應的是：幀起始、仲裁場、控制場。

報文體：應用層需求的信息，對應的是數(shù)據(jù)場或域。

報文尾：包含通訊結(jié)束時所涉及的必要標識信息，如應答信息、檢驗信息等。對應的是CRC場、ACK場、幀結(jié)束。

（5）數(shù)據(jù)傳輸：報文通過計算機網(wǎng)絡進行傳輸，經(jīng)過多個中間節(jié)點，如路由器、交換機等，通過這些節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)，最終到達目標設備。

（6）標識符：信息的抽象符號，以位為最小單位，以域為最小功能單位。

3 CAN報文的采集

（1）CAN報文采集所需的軟硬件。硬件有：CAN盒（周立功）、測試線、存儲設備（SD卡或優(yōu)盤），與硬件相匹配的軟件，CANPRO、USBCAND等。軟件安裝在筆記本電腦上。

（2）采集過程：通過測試線把CAN盒輸入口與整車的診斷口相連--輸出口與電腦相連--打開車輛電鎖--打開USBCAN軟件--選擇CAN通訊通道--選擇通訊波特率（在工程機械一般為250KB或500KB）--啟動車輛，在軟件交互窗口獲取報文。如圖3所示某車型所獲取的報文，其中Message Number：報文序號信息；Time Offset（ms）：報文采集時間信息；Bus：總線通道信息；Type：報文傳輸方向（其中Rx表示接受，Tx表示發(fā)出）信息；Reserved：保留位（用于功能擴展）Data Lengh Code：表示數(shù)據(jù)長度信息，其中數(shù)字8代表數(shù)據(jù)長度占8個字節(jié)；Data Bytes（Hex）：表示報文數(shù)據(jù)信息，以十六進制形式表示；ID：報文唯一標識符，類似我們身份證，與數(shù)據(jù)場一一對應。

4 報文的解析

報文的解析分為兩部分：第一部分對報文的標識信息的的解析，第二部分對報文體的數(shù)據(jù)進行解析。下文將對這兩部分進行詳細的解釋。

4.1 報文標識信息的解析：主要是對報文的ID進行解析

CAN報文的ID根據(jù)CAN協(xié)議中規(guī)定可分為：標準幀的ID為11為二進制數(shù)構(gòu)成，以十六進制形式顯示；擴展幀的ID為29為二進制數(shù)構(gòu)成，同樣以十六進制顯示。目前工程車輛都使用擴展幀結(jié)構(gòu)即29位ID。幀ID中所包含的信息：優(yōu)先級、參數(shù)組編號、源地址、目的地址四個信息。現(xiàn)以某車型實際報文為例進行說明：所采集到的報文如圖4所示。

ID的十六進制的形式為：0C08E4DC。

其中最后兩位DC為：源地址（Source Adress簡稱SA），作用：告知我們數(shù)據(jù)場的數(shù)據(jù)來源，也就是說這些數(shù)據(jù)是哪個節(jié)點發(fā)出來的。其中DC為廠家自主定義，源地址與節(jié)點一一對應，不可重復，一個節(jié)點只能獲得唯一一個地址碼。該處某廠家定義為：DC-DC模塊的地址標識符。表1某廠家節(jié)點模塊地址碼定義。

前面六位十六進制數(shù)0C08E4為參數(shù)組PGN（Parameter Group Number）：傳輸數(shù)據(jù)參數(shù)的集合，每一個參數(shù)組都有一個唯一的標識符稱為參數(shù)組編號。參數(shù)組依據(jù)功能進行分配，例如命令參數(shù)組、數(shù)據(jù)參數(shù)組、請求參數(shù)組、應答參數(shù)組等。這些在CAN協(xié)議標準中進行明確的規(guī)定。PGN如圖5所示：

最前面3位二進制 表示優(yōu)先級（Priority）信息，數(shù)值越小，傳輸優(yōu)先級越高。作用：可以明確該條報文的收發(fā)優(yōu)先級，如圖5所示中：當PF的值大于等于十進制的240，則字節(jié)3的數(shù)據(jù)表示目的地址為全局（GE）；當PF的值小于十進制的240，則字節(jié)3的數(shù)據(jù)表示目的地址為特定（DA）；作用：可知是哪個或那些節(jié)點是需要接受信息。

4.2 報文的數(shù)據(jù)解析：主要是指數(shù)據(jù)場的數(shù)據(jù)進行解析

CAN報文數(shù)據(jù)場由8個字節(jié)組成，共計64位二進制（如表2）。可以存放數(shù)據(jù)類型：可以是狀態(tài)值或測量值。1個byte由8個bit組成，byte稱為“字節(jié)”，bit稱為“位”，bit的數(shù)值只能是“0”和“1”數(shù)據(jù)由廠家自行定義。以圖4某廠家實際報文為例：該報文的數(shù)據(jù)為：0A 28 10 27 10 27 38 48。

在解析數(shù)據(jù)時需要根據(jù)廠家實際的DBC（Data Base Can）文件來進行解析（如圖6）。

如圖6所示，我們先看圖5 DCDC工作狀態(tài)數(shù)據(jù)在第7字節(jié)第7位，根據(jù)描述欄：其中“0”表示停機狀態(tài)，“1”表示運行狀態(tài)。實際測量值中（圖7所示）在第7字節(jié)第7位的值位0，說明DCDC沒有運行。該車現(xiàn)在存在故障。DCDC工作運行的條件：有輸入電壓和并有輸出電壓和。接下來根據(jù)圖圖5中的規(guī)定分別計算一下這些值。

DCDC輸入電壓：用兩個字節(jié)來表示，分別占用第5字節(jié)的0-7位和第6字節(jié)的0-7位；再根據(jù)圖5所示這兩個字節(jié)中的數(shù)據(jù)為十六進制的10和27，該協(xié)議采用的MBS規(guī)則，寫成十六進制順序為2710，將十六進制轉(zhuǎn)化為十進制：（2710）16=（10000）10，得到10000。

根據(jù)公式：測量值=十進制數(shù)值*分辨率+偏移量，該DCDC輸入端電壓=10000*0.1-1000=0V。

0V說明DCDC沒有輸入電壓，所以DCDC沒有運行。我們可以把故障鎖定在DCDC輸入端。

最終故障原因為高壓盒給DCDC供電的接觸器損壞導致。

DCDC輸出端電壓：用兩個字節(jié)來表示，分別占用第1字節(jié)的0-7位和第2字節(jié)的0-7位；再根據(jù)表2所示這兩個字節(jié)中的數(shù)據(jù)為十六進制的0A和28，該協(xié)議采用的MBS規(guī)則，寫成十六進制順序為280A，將十六進制轉(zhuǎn)化為十進制：（280A）16=（10250）10，得到10250。

根據(jù)公式：測量值=十進制數(shù)值*分辨率+偏移量，該DCDC輸出端電壓=10250*0.1-1000=25V。

重要提示：此數(shù)據(jù)只能明確蓄電池電壓正常但是不能確定DCDC正常。同理可以計算DCDC輸入和輸出電流均為0A。讀者可自行驗證。在此不再敖述。

5 結(jié)語

本文以實際案例為引線，詳細闡述報文獲取、解析在實際中的具體應用。包括實際中所用到的硬、軟件工具，報文獲取以及解析流程步驟。為廣大讀者提供了具有現(xiàn)實的指導意義。

參考文獻：

[1］劉君濤．計算機通信網(wǎng)絡安全與防護策略的相關思考[J].通訊世界，2016（19）：104-105.

[2］王磊．關于計算機網(wǎng)絡信息安全及防護策略探究[J].電腦知識與技術，2014，10（19）：4414-4416.

[3］張揚，申朝，曾昭凱，等．CAN總線技術在電動汽車上的實現(xiàn)[J].沈陽工業(yè)大學學，2006，28（5）：563-565.

[4］韓成浩，高曉紅.CAN總線技術及其應用[J].制造業(yè)自動，2010，32（2）：145-147.

[5］楊兵，耿仁義．國產(chǎn)汽車CAN總線發(fā)展[J].科技創(chuàng)新導報，2009，25（32）：193-194.