基于SAEJ1939協(xié)議的柴油發(fā)動機(jī)參數(shù)顯示系統(tǒng)

李永偉，許　勇，劉　強(qiáng)

(桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院，廣西桂林　541004)

0　引言

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代汽車配置有各種汽車電子儀表和多種電子控制裝置，以提高整車的舒適性、可操控性、安全性等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。典型的控制單元有發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)、自動變速系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)、巡航控制系統(tǒng)、儀表顯示系統(tǒng)等等。這些電氣設(shè)備的應(yīng)用，必然導(dǎo)致車身布線越來越長，運(yùn)行可靠性降低，維護(hù)難度增加。提高信號的利用率，而且大數(shù)據(jù)能在不同的ECU之間實(shí)現(xiàn)信息的共享，傳統(tǒng)的線束已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這種通信需求，CAN總線和基于它的車輛網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)提供了解決上述問題的途徑。SAEJ1939協(xié)議是SAE發(fā)布的以CAN總線為基礎(chǔ)、以CAN 2．0B作為網(wǎng)絡(luò)核心協(xié)議的車輛網(wǎng)絡(luò)串行通信和控制協(xié)議，其使用多路復(fù)用技術(shù)使各電氣設(shè)備之間建立了以CAN總線為基礎(chǔ)的高速通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享，而且減少了汽車線束[1]。

柴油發(fā)動機(jī)作為動力來源，是汽車和船舶等裝載設(shè)備的核心，同時柴油發(fā)動機(jī)也是大量固定動力系統(tǒng)如發(fā)動機(jī)等的動力來源，應(yīng)用及其廣泛。柴油發(fā)動機(jī)的動態(tài)監(jiān)控也成為目前非常重要的技術(shù)問題，其功能和效率都在隨著技術(shù)進(jìn)步逐漸提高。

作為柴油機(jī)電控系統(tǒng)的核心，發(fā)動機(jī)的電控單元ECU(Electronic Control Unit)將發(fā)動機(jī)的傳感器如共軌壓力傳感器、機(jī)油壓力溫度傳感器、水溫傳感器、曲軸轉(zhuǎn)速傳感器等模擬信號和數(shù)字信號進(jìn)行采集，作為執(zhí)行器如噴油器、電磁風(fēng)扇線圈等的控制依據(jù)，并同時對信息進(jìn)行處理打包通過CAN總線傳向車載網(wǎng)絡(luò)。

目前基于SAEJ1939協(xié)議的CAN總線技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)中，通過附件ECU，基于SAEJ1939協(xié)議的柴油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取柴油機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)和故障信息，為操作者了解和掌握發(fā)動機(jī)當(dāng)前狀態(tài)，提供了大量信息[2-3]。

針對具有SAEJ1939 總線接口的發(fā)動機(jī)ECU，開發(fā)了基于CAN總線的發(fā)動機(jī)狀態(tài)參數(shù)及故障信息顯示系統(tǒng)。

1　總體設(shè)計(jì)方案

選用EDC17電控發(fā)動機(jī)ECU與STM32單片機(jī)通過CAN總線收發(fā)器建立通訊，該系統(tǒng)遵守CAN2．0B協(xié)議和SAEJ1939應(yīng)用層協(xié)議，根據(jù)車載儀表等發(fā)展趨勢和技術(shù)要求，選用液晶顯示器作為顯示載體，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。CAN總線的數(shù)據(jù)報文通過總線由發(fā)動機(jī)ECU經(jīng)過CTM1050T CAN收發(fā)器送入主控MCU STM32，然后依照SAE J1939協(xié)議對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析計(jì)算得到發(fā)動機(jī)的水溫、油壓、轉(zhuǎn)速等狀態(tài)參數(shù)，然后由FSMC接口送往LCD顯示，并且通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互[4]。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

2　系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)及電路

2．1主控MCUSTM32

系統(tǒng)采用了基于Cortex-M3內(nèi)核的32位增強(qiáng)型閃存微控制器STM32F103VET6作為控制核心，這是一款低功率處理器，特點(diǎn)是門數(shù)低、中斷延遲短且調(diào)試成本低。它專用于要求快速中斷響應(yīng)的深層嵌入式應(yīng)用程序，包括微控制器、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)。其工作頻率為72 MHz執(zhí)行速度為1.25 DMIPS/MHz，內(nèi)部帶有ADC、I2C、UART、USB、SPI、FSMC等外圍接口，特別是其內(nèi)部帶有支持CAN 2．0B協(xié)議的CAN控制器，簡化了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)[5]。

此外，靈活的靜態(tài)存儲控制器FSMC能夠同步或異步存儲器與16位PC卡接口相連，便于外擴(kuò)存儲器和液晶顯示屏。

2．2CAN通信接口電路

CAN總線接口是采用帶隔離及TVS保護(hù)的通用CAN收發(fā)器CTM1050T為CAN控制器與物理總線之間提供接口，CTM1050T內(nèi)部集成了信號隔離電路和所有必需的CAN電平轉(zhuǎn)換電路，具備差動發(fā)送和接收功能，同時帶有TVS保護(hù)，可以支持最高1 Mb/s的通訊速率，單芯片實(shí)現(xiàn)了CAN節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)、隔離、保護(hù)功能，并且具有工業(yè)級的溫度范圍(-40～85℃)；從而省卻了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的光電耦合器件、DC-DC隔離(2 500 V隔離)、CAN收發(fā)器等多種器件。為了提高總線通信時的抗干擾能力，分別在CAN的接收端(RXD)和CANH與CANL之間加上30pF和100pF的電容。CAN通信接口原理圖如圖2所示。

圖2　CAN通信接口原理圖

2．3JTAGSWD模式下載電路

傳統(tǒng)的JTAG下載調(diào)試模式使用的是20 pin接口，太多的接口會占據(jù)PCB板大量的空間，想實(shí)現(xiàn)PCB板的小型化比較困難。所以系統(tǒng)采用的是SWD模式，其下載速度可以達(dá)到10 M/s，而且高速下載時比傳統(tǒng)的JTAG更加可靠，此模式只需要4跟線，分別是VTref，SWDIO，SWCLK，GND.

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3．1SAEJ1939通訊報文內(nèi)容解析

J1939是一種支持閉環(huán)控制的多個ECU之間高速通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)[6-7]。J1939協(xié)議實(shí)質(zhì)是將CAN擴(kuò)展幀格式中未明確定義的11位ID，18位擴(kuò)展ID進(jìn)行了明確定義，緊隨ID的是8個字節(jié)的數(shù)據(jù)域，如表1所示。

表1　CAN擴(kuò)展幀格式與J1939幀格式對照表

系統(tǒng)所采用EDC17電控發(fā)動機(jī)ECU作為檢測對象，它依據(jù)SAE J1939通用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)濰柴發(fā)動機(jī)CAN總線通訊在基于發(fā)動機(jī)/車輛中的不同電控單元之間信息的傳遞和交換。表2為通過CAN分析儀接收到的數(shù)據(jù)，其幀格式為數(shù)據(jù)幀，幀類型為擴(kuò)展幀，數(shù)據(jù)長度為8。

表2　ECU的總線數(shù)據(jù)

CAN擴(kuò)展幀格式包含一個單一的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)，由七部分組成，分別是優(yōu)先級(P)，保留位(R)，數(shù)據(jù)頁(DP)，PDU格式(PF)，特定PDU(PS)，源地址(SA)和數(shù)據(jù)域。根據(jù)J1939協(xié)議規(guī)定其地址解譯和數(shù)據(jù)信息解釋(對故障信息的解譯本文不再詳述)，首先退ID地址解譯，通過以上所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，以幀ID 0x0CF00400為例，其位信息的分配如表3所示[8]。

表3位信息分配表

從上表可以看出優(yōu)先級(P)：3，數(shù)據(jù)頁(DP)：0，PDU格式(PF)：240，特定PDU(PS)：4，參數(shù)組編號(PGN)：61444，另外，以濰柴發(fā)動機(jī)為例，發(fā)動機(jī)的源地址(SA)被定義為0。

數(shù)據(jù)信息解釋，J1939應(yīng)用層定義了J1939網(wǎng)絡(luò)的每個參數(shù)，并為每個參數(shù)分配了一個編號(SPN)。在程序中是通過與數(shù)據(jù)信息的ID進(jìn)行匹配查找每一個參數(shù)組，通過幀ID的匹配把相應(yīng)的接收信息存入不同的PGN組，系統(tǒng)對PGN分成了29組，程序中根據(jù)不同的幀ID定義了不同的PGN，具體實(shí)現(xiàn)方法如下所示。

if(RxMessage．ExtId==0x0CF00400)SAEJ1939_PGN[1]=RxMessage；

if(RxMessage．ExtId==0x18FEE000)SAEJ1939_PGN[4]=RxMessage；

在幀的數(shù)據(jù)域中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速占據(jù)參數(shù)組的第4、5字節(jié)。下面的程序講述了如何從參數(shù)組F004中獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

void PGN_F004(void)

{

spn513=SAEJ1939_PGN[1]．Data[1]；

spn512=SAEJ1939_PGN[1]．Data[7]；

spn190=(SAEJ1939_PGN[1]．Data[4]<<8|

SAEJ1939_PGN[1]．Data[3])>>3；

}

根據(jù)第4、5字節(jié)的數(shù)值及SPN190中的定義其計(jì)算方式如下：

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速=原始數(shù)×分辨率+偏移量

如果第4、5字節(jié)的數(shù)據(jù)分別為3EH、40H.則發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速=62×32+64×0.125=1 992 rpm

3．2CAN總線底層配置

柴油機(jī)電控系統(tǒng)以SAEJ1939協(xié)議數(shù)據(jù)廣播的形式，按規(guī)定格式和周期向外部控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)(轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等)到CAN總線上，系統(tǒng)采用CAN總線接受中斷的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，一旦中斷發(fā)生，即將接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過過濾器的匹配后自動存儲到接收郵箱中等待進(jìn)一步處理。SAEJ1939采用250K的通信波特率，所以也需要將系統(tǒng)CAN通信波特率配置為250 K，STM32的bxCAN掛載在APB1總線上，當(dāng)Ppclk=36 M時，其波特率的配置如下。

CAN_InitStructure．CAN_SJW=CAN_SJW_1tq；

CAN_InitStructure．CAN_BS1=CAN_BS1_8tq；

CAN_InitStructure．CAN_BS2=CAN_BS2_7tq；

CAN_InitStructure．CAN_Prescaler=9。

3．3μCOS-II實(shí)時操作系統(tǒng)及μCGUI圖形界面系統(tǒng)

文中采用實(shí)時操作系統(tǒng)μCOS-II作為STM32的片上操作系統(tǒng)，實(shí)時性是指能在確定的時間內(nèi)執(zhí)行計(jì)算或處理功能，并對外部的異步事件做出響應(yīng)。系統(tǒng)的核心在于任務(wù)調(diào)度，而任務(wù)調(diào)度的依據(jù)是根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級來完成的，μCOS最多支持63個任務(wù)每個任務(wù)只能有獨(dú)立的優(yōu)先級[9]。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。根據(jù)系統(tǒng)的需要文中各任務(wù)的優(yōu)先級分配如表4所示。

表4　任務(wù)優(yōu)先級分配表

圖3　軟件設(shè)計(jì)流程圖

μCGUI是一種用于嵌入式應(yīng)用的圖形支持軟件。它被設(shè)計(jì)用于為任何使用一個圖形LCD的應(yīng)用提供一個有效的不依賴于處理器和LCD控制器的圖形用戶接口。它能工作于單任務(wù)或多任務(wù)的系統(tǒng)環(huán)境下。采用GUI的視窗管理可以實(shí)現(xiàn)對物理液晶屏的虛擬擴(kuò)展，根據(jù)系統(tǒng)需要使用視窗管理建立了4個窗口，而且在線比較粗的地方采用抗鋸齒處理。需要注意的是在使用μCGUI相應(yīng)的功能的時候需要先在配置文件中將該位對應(yīng)的功能置1，其中第二窗口如圖4所示。其它顯示元素主要是采用了CGUI的基本繪圖函數(shù)，LCD驅(qū)動層的基本繪圖函數(shù)如下：

LCD_L0_DrawHLine()繪制一條水平線

LCD_L0_DrawVLine()繪制一條垂直線

LCD_L0_DrawBitmap()通用繪制位圖函數(shù)

LCD_L0_FillRect()直譯一個矩形區(qū)域

LCD_L0_XorPixel()翻轉(zhuǎn)一個像素

圖4　界面窗口

4　實(shí)驗(yàn)平臺搭建

在完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)后，軟件的調(diào)試就需要依賴ECU的實(shí)時數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用的是濰柴EDC17電控發(fā)動機(jī)ECU，根據(jù)其電器匹配手冊搭建ECU的運(yùn)行環(huán)境。部分傳感器通過電位器模擬，試驗(yàn)臺的調(diào)節(jié)面板部分包括機(jī)油溫度、機(jī)油壓力、冷卻液溫度、冷卻液壓力，通過旋鈕可以手動調(diào)節(jié)。

5　結(jié)論

文中通過對發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)CAN總線報文的分析，基于SAE J1939協(xié)議并搭載實(shí)時操作系統(tǒng)μCOS II和圖形界面顯示系統(tǒng)μCGUI 開發(fā)了發(fā)動機(jī)參數(shù)顯示系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示界面功能全，簡單明了。為使用者提供了大量的發(fā)動機(jī)實(shí)時數(shù)據(jù)，有利于發(fā)動機(jī)的維護(hù)和保養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]許勇．工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2013．

[2]吳志玲，靳鴻，武耀艷．基于CAN總線的分布式測試系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)．儀表技術(shù)與傳感器．2013(4)：57-58

[3]賴海鵬，馮國勝．基于DSP電控柴油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)．柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2002(4)：27-31．

[4]劉嘉，黃英等.基于SAE J1939協(xié)議的發(fā)動機(jī)虛擬儀表及故障診斷系統(tǒng)開發(fā)．設(shè)計(jì)·計(jì)算·研究，2007(6)：22-25．

[5]Cortex-M3 Technical Reference Manual．2010．

[6]SAE Standard．SAE J1939/21：Data link layer，2000．

[7]SAE Standard．SAE J1939/73：Vehicle Application Layer，2003．

[8]SAE Standard．SAE J1939/73：Vehicle Application Layer Diagnostics，2003．

[9]嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS-II(2版)．邵貝貝譯．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005．