摘 要：針對J1939協(xié)議培訓(xùn)要求，構(gòu)建了一個基于J1939協(xié)議的汽車總線培訓(xùn)實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件由計算機、Kvaser CAN總線分析儀以及基于J1939協(xié)議的汽車CAN總線模塊包括儀表板模塊、車身電器模塊、發(fā)動機ECU模塊等組成。系統(tǒng)界面由Warwick X-Analyser設(shè)計，測試結(jié)果直觀地顯示在顯示器上。系統(tǒng)實時監(jiān)控汽車J939數(shù)據(jù)并能完整記錄、顯示波形和打印。 關(guān)鍵詞：J1939協(xié)議 汽車CAN總線 實驗系統(tǒng) 　　隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車上越來越多地采用了各種復(fù)雜的電子設(shè)備。為了提高信號的利用率，要求大量的數(shù)據(jù)信息能在不同的ECU中共享，大量的控制信號能夠?qū)崟r交換， 而傳統(tǒng)線束已遠遠不能滿足這種需求。CAN總線和基于它的車輛網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準提供了解決上述問題的途徑。[1] SAE J1939協(xié)議是美國汽車工程師協(xié)會發(fā)布的以CAN總線為核心的車輛網(wǎng)絡(luò)串行通訊和控制協(xié)議，供卡車及其拖車、大客車、建筑設(shè)備以及農(nóng)業(yè)設(shè)備使用，是用來支持分布在車輛各個不同位置的電控單元之間實現(xiàn)實時閉環(huán)控制功能的高速通信標(biāo)準，數(shù)據(jù)傳輸速率為250Kb/s，通信物理層和數(shù)據(jù)鏈路層以CAN2.0為基礎(chǔ)，并定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的協(xié)議。[2-3] 　　針對J1939協(xié)議教學(xué)和培訓(xùn)要求，構(gòu)建了一個基于J1939協(xié)議的汽車教學(xué)實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)實時監(jiān)控汽車CAN總線的數(shù)據(jù)并能完整記錄、顯示波形和打印。 1 系統(tǒng)原理及硬件結(jié)構(gòu) 　　1.1系統(tǒng)原理 　　系統(tǒng)中，CAN總線模塊系統(tǒng)通過CAN總線分析儀與計算機通訊，實行數(shù)據(jù)采集和傳輸，用于教學(xué)和培訓(xùn)。學(xué)生進行實驗操作，直觀了解數(shù)據(jù)收發(fā)，掌握CAN總線和J1939協(xié)議的特點，理解物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的含義和作用，最后進行系統(tǒng)開發(fā)。 　　CAN總線模塊系統(tǒng)能采集卡車道路行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時能控制車燈、門窗電機、電磁閥等功率設(shè)備。其中，儀表板模塊通過與車身通用控制模塊、車窗控制模塊進行CAN通訊，采集車輛開關(guān)狀態(tài)，通過LED燈、液晶屏、轉(zhuǎn)盤指針顯示整車狀態(tài)、故障信息、報警信息等各種信息，實現(xiàn)人機交互，對卡車進行實時控制。 　　1.2 系統(tǒng)硬件組成 　　系統(tǒng)包括3個部分：基于J1939的汽車CAN總線模塊系統(tǒng)，包括儀表板模塊、車身通用模塊、車身專用模塊（車窗控制模塊）;CAN總線分析儀，包括由基于USB的Kvaser USB CANⅡ總線適配器和軟件Warwick X-Analyser組成;筆記本電腦（計算機）。 　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示： [align=center] 圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖[/align] 2 系統(tǒng)硬件 　　基于J1939的汽車CAN總線模塊系統(tǒng)中，儀表板具有整車參數(shù)的顯示、存儲，與發(fā)動機ECU通信的功能，同時實現(xiàn)對負載的過程控制，根據(jù)儀表板上的開關(guān)狀態(tài)及連接在車身通用控制模塊的開關(guān)和傳感器狀態(tài)，產(chǎn)生功率輸出，并與車身通用控制模塊通訊;車身通用控制模塊負責(zé)將所屬區(qū)域的開關(guān)和傳感器狀態(tài)通過CAN總線反饋給儀表板模塊，并接收控制指令，驅(qū)動功率輸出接口實現(xiàn)通斷控制。 　　實車上的儀表板控制器位于駕駛室司機座位正前方;前部控制模塊位于駕駛室司機座位與副駕駛座位之間的操作臺下;車身通用模塊位于車架上;車窗控制模塊位于駕駛室司機座位與副駕駛座位之間的操作臺下。 　　2.1 儀表板模塊 　　儀表板模塊可以數(shù)字化顯示車輛行駛速度、油量、水溫、氣壓和發(fā)動機轉(zhuǎn)速等參數(shù)。儀表板模塊可以提供可編程圖標(biāo)顯示功能，如當(dāng)車速大于3Km/h而車門未關(guān)好時，在最下行顯示提示信息“請關(guān)閉車門”，關(guān)好車門后，該信息消失。具有9個高亮度LED符號指示燈;具有故障診斷功能，能夠?qū)偩€狀態(tài)、電氣負載短路/斷路狀態(tài)進行實時監(jiān)控，出現(xiàn)故障后以中文信息顯示;能夠獲取、顯示、存儲發(fā)動機相關(guān)參數(shù);液晶屏可實時顯示整車當(dāng)前狀態(tài)信息;具有48路非隔離開關(guān)量輸入，6路電阻型模擬量輸入，3路模塊地址線輸入，1路ACC檔開關(guān)輸入，1路一線式溫度傳感器輸入，4路控地型系統(tǒng)喚醒信號輸入;6路高端開關(guān)輸出，1路常有電功率輸出，2路ACC檔電源輸出，3路B7信號輸出，1路里程傳感器仿真信號輸出，3路休眠信號輸出。 　　2.2 車身通用控制模塊 　　車身通用控制模塊具有12路非隔離開關(guān)量輸入，1路脈沖量輸入，1路帶勵磁電流供應(yīng)的充電指示檢測輸入;4路電阻型模擬量輸入，4路模塊地址線輸入。具有11路高端開關(guān)輸出， 2路常有電功率輸出，1路帶反向電流防護的功率輸出，模塊具有安全運行模式。 　　車身通用控制模塊測量車輛行駛速度以及行程、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、燃油量、發(fā)動機水溫、前后橋氣壓、發(fā)動機機油壓力報警、左右轉(zhuǎn)向控制與顯示等。 　　2.3 車窗控制模塊 　　車窗控制模塊支持433 MHz、868 MHz和915 MHz通信頻率;2路大功率全橋電機驅(qū)動通道;4路大功率高端開關(guān)輸出通道;12路開關(guān)量輸入接口;具有短路、過壓、過熱保護功能;具有車窗驅(qū)動的防夾功能;具有功率接口故障診斷功能。 　　輸入接口有24路非隔離開關(guān)量輸入和4路模塊地址線輸入。輸出接口有4路高端開關(guān)輸出、2路常有電功率輸出和8路全橋開關(guān)輸出。 　　2.4 CAN總線分析儀 　　Kvaser USB-CAN Ⅱ是基于USB的雙通道CAN總線分析儀，一個通道用于測量高速CAN信號，另一個通道可用于測量高速CAN、低速CAN或單線CAN。本系統(tǒng)采用雙通道高速CAN分析儀（兼容ISO 11898，收發(fā)器為TJA1050）。 　　主要特點：安裝快速、簡易，即插即用;支持11位標(biāo)識符的標(biāo)準幀和29位標(biāo)識符的擴展幀。每個CAN消息均標(biāo)有10μs精度的時間標(biāo)簽。自動開關(guān)電源為CAN（初級）、USB（次級）供電，減少筆記本的電源消耗。支持分析工具的“只聽”模式。 　　支持主要的操作系統(tǒng)Windows、WinCE和Linux。應(yīng)用支持Kvaser CanKing、Warwick XA、ATI Apollo、National Instruments（NI） LabVIEW、NI DIAdem等應(yīng)用軟件。 3 系統(tǒng)軟件 　　系統(tǒng)通過Kvaser USB Can II連接電腦，采用X-Analyser for Kvaser CAN軟件（簡稱XA）對系統(tǒng)總線通訊報文信息進行監(jiān)測分析，汽車CAN總線模塊原始數(shù)據(jù)顯示界面如圖2所示。XA用于測試、分析、仿真和監(jiān)測CAN總線和LIN總線網(wǎng)絡(luò)，主要特點為： 　?。?）允許用戶在高層協(xié)議上使用各種不同的規(guī)則如觸發(fā)、濾波等訪問和監(jiān)視總線數(shù)據(jù)，如SAE J1939、NMEA、DeviceNet和CANopen等。（2）支持汽車工業(yè)標(biāo)準的文件格式，能夠與相關(guān)工具兼容。（3）通過設(shè)置X-Script選項或者Keil接口進行節(jié)點或者網(wǎng)絡(luò)的模擬。 [align=center] 圖2 CAN總線原始數(shù)據(jù)顯示界面[/align] 4 系統(tǒng)分析 　　針對J1939培訓(xùn)要求，系統(tǒng)在教學(xué)中，特別是實操中可以實時監(jiān)控基于J1939汽車CAN總線的數(shù)據(jù)并能完整記錄、顯示波形和打印。 　　4.1 儀表板的顯示變化 　?。?）車輛行駛速度以及行程測量與顯示：系統(tǒng)實時測量車輛的行駛速度，并在車速表上顯示車輛當(dāng)前的行駛速度，速度顯示單位為Km/h。車速傳感器的輸入為脈沖波（函數(shù)脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖），當(dāng)輸入的脈沖波頻率達到200Hz時，車速達到最到值180Km/h。 　　當(dāng)車速不為0時，系統(tǒng)實時測量車輛行駛的路程數(shù)，并顯示在儀表板上的液晶顯示屏多功能顯示區(qū)，單位為Km，精確到0.1Km。同時系統(tǒng)以1Km為單位間歇存儲車輛行駛總里程數(shù)，顯示在儀表板上的液晶顯示屏多功能顯示區(qū)上。 　?。?）燃油量的測量與顯示：燃油量通過油量傳感器來測量，顯示采用無量綱方式，F(xiàn)表示燃油滿，E表示燃油量為0。當(dāng)傳感器阻值在0～200Ω變化時，對應(yīng)油量表上的F～E。 　?。?）前后橋氣壓的測量與顯示：系統(tǒng)實時測量前橋氣壓和后橋氣壓，并在儀表板上顯示。前橋氣壓和后橋氣壓的分別通過氣壓1傳感器和氣壓2傳感器來測量，當(dāng)氣壓傳感器的阻值在0～200Ω變化時，對應(yīng)氣壓表上的0～12。 　?。?）左右轉(zhuǎn)向控制與顯示：左右轉(zhuǎn)向通過兩個開關(guān)來控制，當(dāng)轉(zhuǎn)向開關(guān)斷開時，輸出為5v;當(dāng)轉(zhuǎn)向開關(guān)接通時，輸出為低電壓5v，高電壓24v的脈沖，并且儀表板上對應(yīng)的轉(zhuǎn)向指示燈閃爍。 　　4.2 數(shù)據(jù)采集結(jié)果 　　系統(tǒng)XA數(shù)據(jù)采集如表1所示。以轉(zhuǎn)向開關(guān)為例：當(dāng)左轉(zhuǎn)向燈斷開時data為08，而接通時為08與8A交替變化。當(dāng)右轉(zhuǎn)向燈接通時data為00，而接通時為00與02交替變化，如圖3所示。通過函數(shù)脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖，模擬車速變化，如圖4所示。 　　表1 X-Analyser數(shù)據(jù)采集表 [align=center] 圖3 J1939數(shù)據(jù)顯示界面[/align] [align=center] 圖4 基于J1939的速度波形圖[/align] 5 結(jié)論 　　本文介紹了一個基于J1939協(xié)議的汽車教學(xué)實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)可以實時監(jiān)控汽車CAN總線的數(shù)據(jù)并能完整記錄、顯示波形和打印。 　　系統(tǒng)中，CAN總線模塊系統(tǒng)通過CAN總線分析儀與計算機通訊，實行數(shù)據(jù)采集和傳輸，用于教學(xué)和培訓(xùn)。學(xué)生進行實驗操作，直觀了解數(shù)據(jù)收發(fā)，掌握CAN總線和J1939協(xié)議的特點，理解物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的含義和作用，最后進行系統(tǒng)開發(fā)。 　　本文作者創(chuàng)新點：系統(tǒng)采用J1939的實車CAN總線模塊系統(tǒng)作為硬件，通過CAN總線分析儀，用直觀的人機界面描述模塊上J1939的數(shù)據(jù)格式和傳感器物理值，讓學(xué)員快速理解高層協(xié)議并掌握基于J1939的零部件ECU開發(fā)要點。項目經(jīng)濟效益10萬元。 參考文獻 　　[1] 劉嘉，黃英，黃千. 基于SAEJ1939協(xié)議的發(fā)動機虛擬儀表及故障診斷系統(tǒng)開發(fā)[J].汽車技術(shù). 2007，（6）：22-25 　　[2] SAE J1939 Standards Collection. Recommended Practice for a Serial Control and Communication Vehicle Network. Society of Automotive Engineers，2003 　　[3] 高燕，高松，趙明.SAE J1939協(xié)議在客車上的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J]. 工業(yè)控制計算機，2006，19（4）：68-70 　　[4] 吳偉斌，洪添勝，李震等. 基于虛擬儀器技術(shù)的點火正時燈檢測系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報. 2006，（6）：50-53 　　[5] 吳偉斌，洪添勝，李震等. 基于虛擬儀器技術(shù)的汽油發(fā)動機ECU仿真測試系統(tǒng)[J]. 微計算機信息. 2006，3-2：205-208 　　[6] 吳偉斌，洪添勝，李震等. 基于虛擬儀器技術(shù)的汽油發(fā)動機點火提前角測試系統(tǒng)[J]. 武漢理工大學(xué)（交通科學(xué)與工程版）. 2007，31（5）：860-863