基于J1939的汽車CAN總線教學實驗系統(tǒng)

　　隨著汽車電子技術的發(fā)展，汽車上越來越多地采用了各種復雜的電子設備。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)絡通信標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)絡串行通訊和控制協(xié)議，供卡車及其拖車、大客車、建筑設備以及農(nóng)業(yè)設備使用，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，并定義了網(wǎng)絡層和應用層的協(xié)議。[2-3]

　　針對J1939協(xié)議教學和培訓要求，構建了一個基于J1939協(xié)議的汽車教學實驗系統(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

　　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，用于教學和培訓。學生進行實驗操作，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)構示意圖，如圖1所示：

圖1  系統(tǒng)硬件結(jié)構圖

　　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)儀表板上的開關狀態(tài)及連接在車身通用控制模塊的開關和傳感器狀態(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將所屬區(qū)域的開關和傳感器狀態(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顯示功能，如當車速大于3Km/h而車門未關好時，在最下行顯示提示信息“請關閉車門”，關好車門后，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)動機相關參數(shù)；液晶屏可實時顯示整車當前狀態(tài)信息；具有48路非隔離開關量輸入，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路非隔離開關量輸入，1路脈沖量輸入，1路帶勵磁電流供應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路大功率高端開關輸出通道；12路開關量輸入接口；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路非隔離開關量輸入和4路模塊地址線輸入。輸出接口有4路高端開關輸出、2路常有電功率輸出和8路全橋開關輸出。

　　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位標識符的標準幀和29位標識符的擴展幀。每個CAN消息均標有10μs精度的時間標簽。自動開關電源為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。應用支持Kvaser CanKing、Warwick XA、ATI Apollo、National Instruments（NI） LabVIEW、NI DIAdem等應用軟件。