商用車控制系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)（CAN 總線 ）通信協(xié)議編制說(shuō)明

1、商用車控制系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)CAN 總線 通信協(xié)議編制說(shuō)明 ?商用車控制系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)CAN 總線 通信協(xié)議? 編制說(shuō)明 一 任務(wù)來(lái)源 本標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn) 檢疫總局國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制修訂方案 20030943-T-5 號(hào)進(jìn)行編制 二 制定的目的意義 隨著汽車行業(yè)越來(lái)越重視汽車平安環(huán)保等問(wèn)題大大促進(jìn)了新技術(shù)的開(kāi) 發(fā)運(yùn)用越來(lái)越多的電子技術(shù)應(yīng)用到汽車上如電噴ABS 電子點(diǎn)火系統(tǒng) 平安氣囊等大量的傳感器控制器在汽車上應(yīng)用大大改善了汽車的平安 環(huán)保舒適等性能提高了汽車的整體性能和水平汽車電子戰(zhàn)已經(jīng)在行業(yè) 打響并表達(dá)在新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的車型中為了減少線束的使用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間 的快速通訊和數(shù)據(jù)共享現(xiàn)代汽車廣泛采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

2、汽車技術(shù)開(kāi)展到今天 可以說(shuō)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用是一次革命是高新技術(shù)在汽車上應(yīng)用的最好表達(dá) 有了網(wǎng)絡(luò)通訊必須有通訊協(xié)議以保證系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間的對(duì)話和信息流的正常 傳送通訊協(xié)議要解決網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先權(quán)問(wèn)題靈活性問(wèn)題實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性魯 棒性及數(shù)據(jù)共享等 三 國(guó)內(nèi)外情況的簡(jiǎn)要說(shuō)明 CAN 總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議最早由德國(guó) BOSCH 公司推出 用 于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信CAN 推出之后世界上各大半 導(dǎo)體生產(chǎn)廠商迅速推出各種集成有 CAN 協(xié)議的產(chǎn)品由于得到眾多產(chǎn)品的支 持使得 CAN 在短期內(nèi)得到廣泛應(yīng)用CAN 總線標(biāo)準(zhǔn)于 1993 年被 ISO 國(guó)際 標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 包括用于高速場(chǎng)合的 IS

3、O11898 和用于低速場(chǎng)合的 ISO11519CAN 是目前總線標(biāo)準(zhǔn)中唯一取得國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的基于 CAN 的網(wǎng)絡(luò) 已經(jīng)安裝于很多公司生產(chǎn)的乘用車及商用車上目前在美國(guó)CAN 已根本取代 基于 J1850 的網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)到 2005 年CAN 將會(huì)占據(jù)整個(gè)汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議市場(chǎng)的 63 在歐洲基于CAN 的網(wǎng)絡(luò)也占有了大約 88 的市場(chǎng)我國(guó)多家合資公 司在外資技術(shù)的支持下早已安裝使用 CAN 網(wǎng)絡(luò)且隨著 CAN 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被越 來(lái)越多的廠家認(rèn)可和掌握這一技術(shù)在我國(guó)已被廣泛推廣和使用CAN 在全 世界范圍的應(yīng)用和用戶在不斷擴(kuò)大ISO11898 作為硬件協(xié)議根本被 SAEJ1939 所覆蓋SAEJ1939 已被越來(lái)

4、越多的國(guó)家所接受并被采用 四 CAN 總線特點(diǎn) 1 控制器局域網(wǎng)Controller Area Network CAN 的拓樸結(jié)構(gòu)為總線式 因此也稱為 CAN 總線是一種新型的串行總線CAN 已經(jīng)成為全球范圍內(nèi) 最重要的總線之一 甚至領(lǐng)導(dǎo)著串行總線在 2000 年市場(chǎng)銷售已超過(guò) 1 億個(gè) CAN 控制器 2 CAN 總線的特點(diǎn) 多主站依據(jù)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問(wèn) 非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁 借助接收濾波的多地址信息傳送 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求 配置靈活 全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相容性 錯(cuò)誤檢測(cè)和出錯(cuò)信令 發(fā)送期間假設(shè)喪失仲裁或由于出錯(cuò)而遭破壞的數(shù)據(jù)包可自動(dòng)重發(fā) 暫時(shí)錯(cuò)誤和永久性故障節(jié)點(diǎn)的判別以及故障節(jié)點(diǎn)與 CAN 總

5、線的自動(dòng) 脫離 3 CAN 能夠使用多種物理介質(zhì)例如雙絞線光纖等最常用的就是雙 絞線信號(hào)使用差分電壓傳送兩條信號(hào)線被稱為 CAN_H 和 CAN_L 4 CAN 的消息幀類別數(shù)據(jù)幀遠(yuǎn)程幀出錯(cuò)幀超載幀 五 開(kāi)放系統(tǒng)互連模型及 SAEJ1939 文檔結(jié)構(gòu) 1由 SAE 美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì) 制定適用卡車及客車 2 J1939 在 CAN 的根底上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層 3 提出一個(gè)電子系統(tǒng)間的開(kāi)放互聯(lián)系統(tǒng)即通過(guò)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的框架使 電控單元Electronic Control Units ECU 之間可以實(shí)現(xiàn)相互通信也就是遵 循同一個(gè) J19390X 文件的電控單元可以通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)連接且彼此通信而不需要

6、 額外的功能接口 4 OSI 七層模型 開(kāi)放系統(tǒng)互連模型是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在 1984 提出的一個(gè)計(jì)算機(jī)通 信體系的模型如下列圖所示 OSI 模型由假設(shè)干層次組成分層的目的是使得 協(xié)議的開(kāi)發(fā)可以根據(jù)所需各層的功能來(lái)進(jìn)行J1939 就是根據(jù)此模型分層 構(gòu)建起來(lái)的 應(yīng)用一 發(fā)送幀組 OSI 層 接收幀拆 應(yīng)用二 7 應(yīng)用層 應(yīng)用層 6 表示層 表示層 5 會(huì)話層 會(huì)話層 4 傳輸層 傳輸層 3 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層 2 數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層 1 物理層 物理層 物理傳輸媒介 圖 1 OSI 七層模型 各層的功能描述如下 1物理層 特定結(jié)構(gòu)的比特流在物理媒介上的傳輸處理訪問(wèn)物理媒介的 機(jī)械電氣功能和時(shí)序

7、特性 2 數(shù)據(jù)鏈路層 提供通過(guò)物理層的可靠信息傳輸通過(guò)參加必需的同步 錯(cuò)誤控制時(shí)序控制及流量控制來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)塊即幀 3 網(wǎng)絡(luò)層 為高層屏蔽系統(tǒng)間連接時(shí)所使用的數(shù)據(jù)傳輸及切換等技術(shù)細(xì) 節(jié)負(fù)責(zé)建立維護(hù)以及撤除連接 4 傳輸層 提供終端節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的可靠透明傳輸提供點(diǎn)到點(diǎn)的錯(cuò)誤恢 復(fù)和流量控制提供長(zhǎng)消息的分段以及再組裝 5 會(huì)話層 提供不同應(yīng)用之間通信的控制框架建立管理以及撤除互連 應(yīng)用間的會(huì)話 6 表示層 為應(yīng)用過(guò)程提供數(shù)據(jù)表示之間差異即語(yǔ)法的屏蔽 7 應(yīng)用層 提供用戶對(duì)開(kāi)放系統(tǒng)互連環(huán)境的訪問(wèn)及提供分布式信息效勞 5 SAEJ1939 文檔結(jié)構(gòu) SAE J1939 網(wǎng)絡(luò)遵循 7 層 OSI 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并

8、對(duì)每個(gè)被實(shí)現(xiàn)的層使用不同 的文件進(jìn)行描述不是所有 7 層都被實(shí)現(xiàn) 文檔結(jié)構(gòu)如下 J1939 概括地描述了 J1939 網(wǎng)絡(luò)OSI 分層結(jié)構(gòu)下級(jí)文 檔的結(jié)構(gòu)并且提供了所有預(yù)分配值和名稱 J19390X 針對(duì)特定應(yīng)用的說(shuō)明文檔這里 X 指 J1939 的特 定的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用版本這個(gè)文檔指出了 J1939 適用 的特定工業(yè)或應(yīng)用領(lǐng)域并且列出了構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的每 個(gè)層次對(duì)應(yīng)文檔的各個(gè)版本 J193901 卡車及客車控制及信息網(wǎng)絡(luò) J19391X 物理層文檔這里 X 指物理層的某個(gè)版本 J193911 物理層250K 比特秒屏蔽雙絞線 J193913 物理層診斷接口 J193915 物理層250K 比特秒非屏蔽雙

9、絞線 J193921 數(shù)據(jù)鏈路層該層不允許定義另外版本的文檔 J19393X 網(wǎng)絡(luò)層文檔X 指特定版本的網(wǎng)絡(luò)層 J193931 網(wǎng)絡(luò)層 J19394X 傳輸層文檔這里 X 指特定版本的傳輸層現(xiàn)在 還沒(méi)有定義傳輸層文檔 J19395X 會(huì)話層文檔這里 X 指特定版本的會(huì)話層現(xiàn)在 還沒(méi)有定義會(huì)話層文檔 J19396X 表示層文檔這里 X 指特定版本的表示層現(xiàn)在 還沒(méi)有定義表示層文檔 J19397X 應(yīng)用層文檔這里 X 指特定版本的應(yīng)用層 J193971 應(yīng)用層 車輛 J193973 應(yīng)用層 診斷 J193974 ApplicationConfigurable Messaging J193975 A

10、pplication LayerGenerator Sets and Industrial J193981 J1939 網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議該層不允許定義另外版本的 文檔 J193982 草案執(zhí)行 六 網(wǎng)絡(luò)連接例如 1 圖 1 所示的網(wǎng)絡(luò)僅包含一個(gè)獨(dú)立的物理層由主網(wǎng)及連接其上的 一個(gè)或多個(gè)子網(wǎng)構(gòu)成 2 網(wǎng)絡(luò)還可以由多重子網(wǎng)構(gòu)成如圖2 所示SAE J1939-11 或-15 中描 述的物理層都可以用作主網(wǎng)或子網(wǎng)物理層橋接器是用來(lái)將子網(wǎng)與主網(wǎng)或子 網(wǎng)與子網(wǎng)連接在一起的一種可行的放置方式為在需要提供地址分配和將 掛車子網(wǎng)與主網(wǎng)進(jìn)行電氣別離的每個(gè)掛車或臺(tái)車上放置一個(gè)橋接器雖然沒(méi) 有明確地說(shuō)明但臺(tái)車使用與掛車相

11、同的橋接器和子網(wǎng)結(jié)構(gòu)是可行的 3 圖3 舉例說(shuō)明了在一個(gè)典型的連接了多個(gè)掛車的卡車中不同物理層 的使用方法 圖 1獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備僅做參考 圖2使用多重子網(wǎng)的車輛網(wǎng)絡(luò)實(shí)例連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備僅做參考 圖3一個(gè)可用的公路卡車網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案 子網(wǎng)的數(shù)量及每個(gè)連接設(shè)備的選擇留給車輛制造商決定在被牽引車輛 上使用 SAE J1939將導(dǎo)致至少使用兩個(gè)子網(wǎng)一個(gè)用于牽引車而另一個(gè)用于 被牽引車輛 牽引車所支持設(shè)備的數(shù)量和類型可能對(duì)是否使用多重子網(wǎng)產(chǎn)生影響在 子網(wǎng)間的橋接器可以用來(lái)過(guò)濾他們之間的消息這樣除了被允許通過(guò)的橋接 器的消息外子網(wǎng)將被有效的隔離開(kāi)牽引車和掛車橋接器還可能擁有過(guò)濾 來(lái)自任何一邊消

12、息的能力該功能允許橋接器將不適用于橋接器另一邊網(wǎng)絡(luò) 的信息過(guò)濾掉例如大多數(shù)的引擎和變速器消息就沒(méi)有必要被傳回給被牽 引車輛 因此一個(gè)J1939 網(wǎng)絡(luò)可能擁有多個(gè)網(wǎng)段每個(gè) J1939 網(wǎng)段用屏蔽雙絞 線將各電控單元連接在一起的一個(gè)獨(dú)立的線性網(wǎng)絡(luò)局部組成每個(gè)電控單元 可以通過(guò)一個(gè)終端短截線連接到總線上這樣可以簡(jiǎn)化主干總線的布線 因?yàn)椴恍枰苯訉㈦娍貑卧B接在總線上使用線性的總線是為了在 250kbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率下減小電信號(hào)反射總線兩端的終端電阻也可以減小電信號(hào) 反射為了支持一個(gè)牽引車拖動(dòng)多個(gè)掛車并隨時(shí)添加或斷開(kāi)掛車在牽引 車每個(gè)掛車和臺(tái)車上都使用一個(gè)單獨(dú)的 J1939 網(wǎng)段子網(wǎng)各網(wǎng)段之間使

13、用網(wǎng)絡(luò)互連電控單元橋接器連接由于這些網(wǎng)段可能工作在不同的數(shù)據(jù) 傳輸速率下或使用不同的物理介質(zhì)因此不需要直接兼容例如一個(gè)橋接 器可以在段之間提供電氣隔離為連接其上的子網(wǎng)提供初始化支持還可以 提供消息過(guò)濾效勞防止無(wú)用消息在各子網(wǎng)上傳遞如果牽引車和掛車之間的 線路出現(xiàn)了總線故障在牽引車上的 J1939 主網(wǎng)絡(luò)仍然可以繼續(xù)運(yùn)行 七 對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容的說(shuō)明 1 物理層-屏蔽雙絞線技術(shù)內(nèi)容等同采用 J193911 采用的數(shù)據(jù)傳輸速率 為 250kbps 400 S bit 傳送一個(gè)典型的包含 8 字節(jié)數(shù)據(jù) 128 位不包括填 充位的消息大概需要 05 毫秒最短的消息有 64 位這意味著每間隔 250 微秒

14、就有一條新的消息產(chǎn)生與 J193911 的主要差異為將 J193911 引用的 SAE 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)改為引用我國(guó)標(biāo)準(zhǔn) 2 物理層-非屏蔽雙絞線技術(shù)內(nèi)容等同采用 J193915 很多內(nèi)容引用了 J193911 將短截線的長(zhǎng)度由 1 米J1939-11 延長(zhǎng)到了3 米J1939-15 電 控單元的最大數(shù)目由 30 J1939-11 減少到 10 J1939-15 3 物理層非車載診斷連接器描述了如何將診斷連接器與汽車通信網(wǎng)絡(luò)建 立連接連接器要安裝在駕駛室里容易接觸到的地方 4 數(shù)據(jù)鏈路層 通過(guò)參加必需的同步錯(cuò)誤控制時(shí)序控制及流量控制來(lái) 發(fā)送數(shù)據(jù)塊即幀鏈路層利用CAN 協(xié)議中定義的擴(kuò)展幀 29 位標(biāo)識(shí)符

15、實(shí)現(xiàn) 了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)定義允許使用 11 位標(biāo)識(shí)符的 CAN 標(biāo)準(zhǔn)幀的設(shè)備在同一 個(gè)網(wǎng)絡(luò)中使用一個(gè) CAN 數(shù)據(jù)幀中還包括一個(gè) 6 位控制域一個(gè)通常為 8 字 節(jié)的數(shù)據(jù)域并以 CRCACK 和 EOF 域結(jié)束數(shù)據(jù)幀為了將特定的數(shù)據(jù)信 息發(fā)送出去必須正確地填充這些數(shù)據(jù)并使用這些數(shù)據(jù)構(gòu)成一條完整的消 息 保存位 R 數(shù)據(jù)頁(yè)位DP PDU 格式 PF 和 PDU 特定 PS 一起定義了被 發(fā)送的參數(shù)群參數(shù)群是有明確的定義的定義中包括了在 8 字節(jié)數(shù)據(jù)域中 的參數(shù)分配發(fā)送的循環(huán)率以及消息的優(yōu)先級(jí)參數(shù)群由一個(gè)參數(shù)群編號(hào)來(lái) 唯一確定參數(shù)群編號(hào)的結(jié)構(gòu)允許定義最多 8672 個(gè)參數(shù)群 本標(biāo)準(zhǔn)與 SAE1939

16、-21 的一致性程度為修改采用技術(shù)內(nèi)容完全等同 主要差異如下原文引用了 1939 概述局部的術(shù)語(yǔ)本標(biāo)準(zhǔn)將適用的大局部術(shù)語(yǔ) 抄寫過(guò)來(lái)并給出了定義 5 網(wǎng)絡(luò)管理 網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議定義了一套ECU命名方法以識(shí)別和了解網(wǎng) 絡(luò)上ECU 的功能 網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè) ECU 都至少有一個(gè)與其相聯(lián)系的名稱和地址ECU 的 地址為消息定義了一個(gè)特定的通信源節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)名稱包括了該地址上 根本功能的標(biāo)識(shí)當(dāng)完成該根本功能的多個(gè) ECU 在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中共存時(shí)那么 名稱中還包含了該功能的實(shí)例的編號(hào)J1939 定義了 64 位的名稱來(lái)區(qū)分每個(gè) ECU 本標(biāo)準(zhǔn)與 SAE1939-81 的一致性程度為修改采用技術(shù)內(nèi)容完全等同 只做了編輯性修改 6 應(yīng)用層-車輛定義了常用物理參數(shù)的格式及參數(shù)組編號(hào)定義數(shù)據(jù)優(yōu) 先權(quán)響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)刷新及數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度分辨率取值范圍和類型等用 戶對(duì)自己的實(shí)際系統(tǒng)按數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義即形成實(shí)際的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò) 本標(biāo)準(zhǔn)與 SAE1939-71 的一致性程度為修改采用技術(shù)內(nèi)容完全等同 只做了編輯性修改增加了概述中的 5 個(gè)縮寫 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容說(shuō)明如下 1標(biāo)準(zhǔn)中藍(lán)字局部為按