J1939入门(一)

0.SAE J1939概述

SAE J1939(以下简称J1939)是美国汽车工程协会(SAE)的推荐标准,广泛用于是商用车(重卡、大客车等道路车辆和工程机械、农业机械、轨道机车、船舶等非道路车辆及设备)上电子部件间的数字通讯。它由SAE“卡车与大型客车电气与电子委员会”(Truck & Bus Electrical & Electronics Committee)下属的“卡车与大型客车控制和通讯网络附属委员会”(Truck & Bus Control and Communications Network Subcommittee)开发编写。

J1939基于德国Bosch公司在上世纪80年代开发的控制器局域网络(Controller Area Network,CAN), CAN总线。CAN总线描述了一种车辆各控制单元之间不分主从节点的通信网络, 各控制单元之间通过报文通信。

J1939描述了CAN总线的一种网络应用,包括CAN网络物理层定义、数据链路层定义、应用层定义、网络层定义、故障诊断、和网络管理。在SAE J1939协议中,不仅仅指定了传输类型、报文结构及其分段等,而且报文内容本身也做了精确的定义, 下面对它们详细进行描述。

SAE J1939 不同于在乘用车行业的CAN通信协议。乘用车行业的CAN通信协议没有统一的行业标准, 基本上由各主机厂依据自己的需要进行定义, 这给主机厂之外的应用人员带来了一定的困难。 而商用车行业的SAE J1939 已成为了全球标准, 除了一些用于保密的厂家私有报文之外, 所有车辆运行参数的报文解析都是公开的, 比如发动机转速、发动机水温、发动机负荷比都可以通过标准报文解析获得。

1. J1939 网络各层介绍

1.1 J1939物理层:

J1939-11 定义了波特率为250 kb的带屏蔽的三线物理层, 网络主干可达40米长,可挂40个节点;J1939-15 定义了波特率为250 kb的不带屏蔽的两线物理层, 网络主干可达40米长,可挂10个节点;还有一个J1939-14定义波特率为500 kb的物理层,目前还没正式推出。

1.2 J1939数据链路层(基于J1939-21):

J1939 使用一个较简单的数据链路来通信。 如下表所示, 29为CAN ID包括Priority (P), Extended Data Page (EDP), Data Page (DP), Protocol Format (PF), Protocol Specific (PS), 和 Source Address (SA)六个部分。

P EDP DP PF PS SA
3 bits 1 bit 1 bit 8 bits 8 bits 8 bits

P 是优先级, EDP 和 DP 构成不同的4个数据页, 其中一页为ISO 15765-3 预留。PF 和 PS 定义参数组数和目标地址, SA 是源地址。

1.3 J1939网络层(基于J1939-31):

描述两个网络部分间针对报文传输的网桥的功能,并且只与 J1939网桥实现相关。

1.4 J1939应用层(基于J1939-71):

描述实际的数据 (参数或带有值域的网络变量、分辨率、物理单元和传输类型) 。每个报文无歧义地对应一个数(参数组数) 。

1.5 J1939网络管理(基于J1939-81):

可以被当作一个分离的单元,能直达第一层,因此在这个层模型中,该模块是作为右手边的一个独立的功能块。网络管理基本上包括自动分配或决定节点地址(即插即用原则)。在SAE J1939中没有定义节点监视,因而必须在应用时通过循环报文实现。

1.6 J1939诊断(基于J1939-13/73):

2. J1939 应用介绍

2.1 J1939 报文

J1939 报文的核心是Parameter Group Number (PGN)。每个报文的PGN 都是独特的, 用于区分报文和其数据。 尽管有时候一个报文只包含一个参数(如车架号VIN),一般来说,一个报文会含有多个参数。 整个J1939 一共有8672 个PGN。现以PGN 61444 表示的报文为例, 它表示发动机控制单元报文ECU1。 这个报文含有7个不同的参数, 发动机转速值是其中之一。

2.2 J1939 报文长度

J1939 允许使用3种不同的报文长度: 3字节、8字节、变长度。 其中, 3字节报文只有一个报文, 那就是请求报文, PGN 59904;绝大多数的报文时8字节,这让网络带宽得到最有效地使用;变长度报文指长度在9字节到1785个字节,这样的报文太长无法放进一个单独的数据帧, 所以必须分解放进不同的数据帧,在接收端再完成重组, 这个步骤由 J1939 的传输协议层里定义。传输协议层定义了两种不同类型的分解方法:BAM和CM。 这两种分解方法有几个不同点, 最主要的是: 1, 目标地址不同,BAM使用全局地址而CM使用特定地址, 正由于寻址上的区别,BAM一次只能发送一个而CM一次可以发送多个。 2, 发送需要的时间不同,BAM 个数据包之间得间隔不短于50毫秒且不超过200 毫秒, 而CM类型的数据包可以发送越快越好。

2.3 J1939 节点命名

J1939 网络上的每个电子控制单元(Electronic Control Unit, ECU)都有一个独一无二的名字。 这个名字64位宽, 由下面这几部分组成:Arbitrary Address Capable, Industry Group, Vehicle System Instance, Vehicle System, Reserved Bit, Function, Function instance, ECU Instance, Manufacturer Code, and Identity Number。 这个名字给予每个ECU一个类似于身份样的东西,J1939 网络上的各节点通过这样的名字来互相区分。这个名字也在网络管理上简历优先级。这个64位的名字以数字来表示, 在地址声明时, 这个数字代表优先级, 数字越小优先级越高。

一个有意思的现象: 有时候一个ECU硬件可以包含多个J1939 网络节点, 也就是一个硬件有多个名字。

2.4 J1939 地址声明

在J1939 网络上, 一个节点必须先成功声明一个地址才能启动通信。地址0-128是预先分配好了的, 使用这些地址的节点一上电就可以启动通信。 考虑到将来的节点和功能,J1939 采用了一个动态分配地址的方法。 新接入J1939网络的节点必须先成功为它自己声明一个地址才能发送和接受消息。 当一个新节点要声明地址时, 它发送一个地址声明消息, 该消息含有它想要的地址, 此时, 网络上所有的节点那这个地址和它们自己的地址表进行比较。如果某个高优先级节点正在使用该地址, 这个高优先级节点就说这个地址已经被使用,这个新节点不能声明这个地址, 这次地址声明不成功。如果某个地优先级节点正在使用该地址, 这个低优先级节点立即放弃这个被声明的地址, 然后自己再去声明一个新的, 这个新节点的地址声明成功。

3. J1939 协议栈

什么是J1939协议栈?J1939协议栈是一个完整的软件包,该软件包可以处理J1939 各层内容。 简单来说, 对所有要发送的数据, 该软件包负责将应用软件里的数据进行转换、分解、然后把CAN数据帧发送到J1939 网络; 对所有要接收的数据, 该软件包负责从J1939 网络接收、转换、重组, 然后提供给应用软件。

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