基于J1939協(xié)議的CAN總線診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉會(huì)娟 王斌 楊洋 李斌

摘? ?要：為了實(shí)現(xiàn)在線的CAN總線診斷分析，并且能夠直觀有效檢測(cè)人為帶來的總線標(biāo)識(shí)編碼錯(cuò)誤，本文給出了一種基于J1939協(xié)議的CAN總線診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先介紹了J1939的參數(shù)組PGN、推薦參數(shù)編碼SPN，然后重點(diǎn)介紹了基于J1939協(xié)議的CAN總線診斷系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，選擇參數(shù)組編碼PGN標(biāo)識(shí)位作為診斷的唯一分類標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的診斷系統(tǒng)能夠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)CAN總線在線診斷，診斷效果直觀有效。

關(guān)鍵詞：J1939協(xié)議? CAN總線? 診斷系統(tǒng)

現(xiàn)有技術(shù)中，工程機(jī)械電控系統(tǒng)本身的復(fù)雜的線束和關(guān)聯(lián)控制增加了故障診斷及維修的難度，各系統(tǒng)（動(dòng)力、傳動(dòng)、制動(dòng)等）信息共享效率較低，無法形成有效的數(shù)據(jù)處理以獲得持續(xù)工況下的綜合診斷?，F(xiàn)有技術(shù)是安排專業(yè)人員選擇CAN總線分析設(shè)備與軟件在電腦上進(jìn)行操作，現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，同時(shí)連接電腦或?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至電腦載體通過特定軟件進(jìn)行總線分析，操作人員和分析周期都存在一定的不可控因素。為此設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)易直接的基于J1939的CAN總線診斷系統(tǒng)，在裝機(jī)狀態(tài)進(jìn)行在線分析，操作簡(jiǎn)單，具備獨(dú)立電源，整個(gè)診斷過程通過控制系統(tǒng)的CAN總線預(yù)留接口實(shí)現(xiàn)，可以靈活選擇公有協(xié)議部分診斷或私有部分診斷，也可以通過上位機(jī)選擇特殊信號(hào)對(duì)某一PGN（參數(shù)組編號(hào)Parameter Group Number）監(jiān)測(cè)與參數(shù)診斷，能夠更好地滿足不同總線的需求，并且簡(jiǎn)化了總線的診斷過程，方便及時(shí)處理總線故障。

1? J1939協(xié)議簡(jiǎn)介

J1939協(xié)議是美國汽車工程師協(xié)會(huì)SAE發(fā)布的以CAN總線為基礎(chǔ)的車輛網(wǎng)絡(luò)串行通信和控制協(xié)議，是基于PGN（Parameter Group Number）標(biāo)識(shí)的CAN2.0B的應(yīng)用層協(xié)議。SAE J1939以PGN和SPN的方式具體規(guī)定了車輛使用的每個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)長度，數(shù)據(jù)類型，分辨率和數(shù)據(jù)范圍等。

PGN是一個(gè)24位的標(biāo)識(shí)符，包括保留位（R）、數(shù)據(jù)頁位（DP）、PF（PDU格式場(chǎng)）和PS（群擴(kuò)展場(chǎng)）等要素的。SPN（Suspect Parameter Number）是PG（參數(shù)組）中的具體參數(shù)的一個(gè)編號(hào)，而PGN是參數(shù)組編號(hào)，一個(gè)PGN包含了按一定方法分類的一組參數(shù)，而每個(gè)具體參數(shù)又有各自的編號(hào)（就是SPN）。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的PDU有著不同的來源，它們可以分為PDU1和PDU2兩大類，且有著各自的PGN標(biāo)識(shí)，其中指定目的地址類480個(gè)，PDU2為全局目的地址8192個(gè)，地址范圍61440～65535，126976～131071。

下面以發(fā)動(dòng)機(jī)部分性能參數(shù)為例，舉例說明在J1939協(xié)議下的PGN與SPN定義與詳細(xì)參數(shù)計(jì)算方法表1所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速=原始數(shù)*分辨率+偏移量;當(dāng)轉(zhuǎn)速字節(jié)為1F40H時(shí)，1FH=31D，40H=64D。若設(shè)轉(zhuǎn)速為n，n=32*31+64*0.125+0=1000，則n=1000rpm。其他參數(shù)的計(jì)算方法與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算方法是相同的，測(cè)量值=原始數(shù)*分辨率+偏移量。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)CAN總線診斷系統(tǒng)的功能要求，選擇ARM系列M4內(nèi)核的32位單片機(jī)STM32F407VGT作為控制器，工作頻率最大可達(dá)168MHz，同時(shí)配合選擇了滿足工程機(jī)械相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的迪文高清工業(yè)串口屏來開發(fā)人機(jī)界面[1]。CAN總線診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主要包括：MCU控制單元、電源單元、CAN通信單元、按鍵輸入單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和LCD顯示單元。其中MCU控制單元由以STM32F407VGT為核心的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源電路、JTAG調(diào)試電路組成的，電源單元由電源充放電轉(zhuǎn)換電路以及電源轉(zhuǎn)換芯片組成。

電源單元包含9V標(biāo)準(zhǔn)供電鋰電池組、電源充放電轉(zhuǎn)換電路以及電源轉(zhuǎn)換芯片。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元為SDIO（安全數(shù)字輸入輸出 Secure Digital Input and Output ）接口存儲(chǔ)卡，主要用于存儲(chǔ)私有協(xié)議DBC文件，以及現(xiàn)場(chǎng)診斷總線數(shù)據(jù)文件。LCD液晶顯示單元與按鍵輸入單元組合實(shí)現(xiàn)總線參數(shù)設(shè)置及診斷類型的選擇。按鍵輸入單元包含五個(gè)按鍵，分別為上/下設(shè)置按鍵、左/右設(shè)置按鍵、確認(rèn)鍵。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)按照J(rèn)1939協(xié)議的PGN編碼規(guī)則進(jìn)行診斷，分為CAN總線基本性能診斷以及協(xié)議診斷，其中協(xié)議診斷包括公有協(xié)議和私有協(xié)議診斷。公有協(xié)議為完全按照SAEJ1939規(guī)定的應(yīng)用層規(guī)定直接分析和診斷，私有協(xié)議則是按照讀入提前寫入的DBC協(xié)議存儲(chǔ)文件后進(jìn)行分析和診斷[2-3]。

主要顯示內(nèi)容有：診斷類型、詳細(xì)PGN參數(shù)值、故障SPN編碼以及故障類型。圖2、3、4、5所示，為本系統(tǒng)診斷過程界面示意圖，其中，通過按鍵結(jié)合顯示屏實(shí)現(xiàn)診斷過程;圖6所示的為本系統(tǒng)診斷過程軟件流程圖，依以下步驟執(zhí)行。

（1）裝置上電啟動(dòng)檢測(cè)診斷指令，進(jìn)入診斷選擇界面，如圖2所示。（2）選擇CAN-Test基本性能檢測(cè)，進(jìn)入基本性能檢測(cè)界面，主要采集端口電壓、總線利用率、錯(cuò)誤率、錯(cuò)誤幀以及全部PGN編碼判定，上傳數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)并顯示。在本實(shí)例中，對(duì)不符合J1939標(biāo)準(zhǔn)的PGN信息幀，直接顯示并報(bào)警。（3）選擇公有協(xié)議診斷，進(jìn)入公有協(xié)議診斷界面，具體如圖3所示，采用只聽模式偵聽總線數(shù)據(jù)，結(jié)合J1939規(guī)定協(xié)議進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油溫、油位、水溫等參數(shù)的數(shù)據(jù)上傳存儲(chǔ)與顯示，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析診斷，數(shù)據(jù)異常則故障報(bào)警并顯示。（4）選擇私有協(xié)議診斷，進(jìn)入私有協(xié)議診斷界面，具體如圖4所示，可選只聽或是應(yīng)答模式進(jìn)行總線數(shù)據(jù)監(jiān)聽，可選單純編碼規(guī)范性檢測(cè)、讀存儲(chǔ)文件進(jìn)行全部PGN診斷或是結(jié)合按鍵實(shí)現(xiàn)特定PGN診斷圖5所示，數(shù)據(jù)上傳存儲(chǔ)與顯示，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析診斷，數(shù)據(jù)異常則故障報(bào)警并顯示。

4? 結(jié)語

本系統(tǒng)公開的一種可在裝機(jī)狀態(tài)進(jìn)行在線CAN總線診斷的系統(tǒng)，以PGN作為唯一診斷標(biāo)識(shí)，適用于整車使用J1939協(xié)議的CAN總線系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示、診斷與一體，不僅能夠方便快捷地診斷總線基本性能及基本數(shù)據(jù)故障，還結(jié)合協(xié)議簡(jiǎn)化了診斷的過程，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明效果良好。

參考文獻(xiàn)

[1] 饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[2] 劉勝，李剛炎，胡劍，等.SAE J1939協(xié)議在客車車燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007（1）：26-28.

[3] 徐建軍.基于SAE J1939的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].江蘇大學(xué)，2008.