SAE J1939 – 简短介绍[通俗易懂]

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发布于 2022-08-14 17:03:53

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SAE J1939 – 简短介绍

在商用车辆领域，标准化的，串行的协议用于单个电子控制单元(ECU)和传动系统组件之间的通讯已有一段时间。通过使用标准化的串行协议，可具有以下优势：

组件制造商只需要采用一个协议；这主要是商用车辆才会涉及的问题，因为生产量低。
商用车辆制造商可依靠不同供应商的组件。
可确保组件之间的互操作性，来自不同制造商的组件不用调整就可一同工作。

由国际汽车工程师协会(SAE)定义的SAE J1939协议替代了SAE标准J1587/J1708，并且根据ISO 11898在CAN高速的物理层工作。

SAE J193使用于重型商用机械，既包括”路用”(卡车和拖车)也包括”非路用的”(建筑用车辆，吊车等等)。在农业和林业领域在ISO11784之后应用机械ISOBUS，在海运环境下，使用NMEA2000协议，而在军事领域适合使用MilCAN – 所有这些协议都基于J1939。

由于现有J1708/J1587协议对于CAN报文标识符从11向29位扩展的兼容性需求，就要求J1939在CAN模块的开发和相应协议的实施中支持此种报文格式。

通过J1939，可以传输测量数值和控制数据，也可配置组件。此外，还可以阅读或删除单个组件的诊断数据，并且可以进行单个控制的校正。

在J1939协议中，不仅仅规定了传输模式，报文结构及其分段，流量控制等等，而且还精确地定义了报文内容本身。

ISO/OSI参考模型中的SAE J1939

根据OSI参考模型SAE J1939被划分成多个文件，文件编号指的是参考模型中的对应层级。第5层和6层在SAE J1939中不需要，这和任意现场总线类似，因此也没有详细说明。

图表：在ISO/OSI参考模型中的SAE J1939

物理层

SAE J1939协议基于CAN总线，并且将其作为物理层使用(控制器局域网，ISO 11998-1和ISO 11998-2)。有如下规格说明：

SAE J1939/11 定义了CAN高速总线连接，符合ISO/DIS 11898，带屏蔽双绞线和接地。数据传输速率是250 kbit/s，最大节点数量是30，最大线缆长度是40米。
SAE J1939/12描述的版本时具有四线制传输线和活跃的总线终端。这免除了屏蔽的需要，并且因此允许使用成本低的线缆。
规格说明SAE J1939/14双倍加速了数据传输速率，从250 kbit/s到500 kbit/s。
SAE J1939/15允许使用非屏蔽双绞线，在此情况下允许每个网络不能超过10 ECU。

数据链路层

SAE J1939/21描述了通过基于CAN的CAN 2.0B规范进行的数据通讯。特殊的是，这种“扩展的模式”用于通讯；”标准的模式”仅用于供应商特定的应用。该规范因此决定了如何使用11位标识符，以排除各个供应商特定报文之间的标识符冲突。除了分配和使用29位标识符，该规范本质上描述了各种各样用于报文请求模式、应答传输、以及大规模数据块分段传输的网络服务。

网络层

SAE J1939/31本质上描述了用于两个网段之间报文传输的网桥的功能。由于网桥中现存的过滤功能，这主要用于减少单个网段的通讯量，例如在拖拉机与其拖车之间。

应用层

应用层相关的文档SAE J1939/71描述了实际数据(参数或具有数值范围的网络变量，分辨率，物理单元和传输类型)。每个报文都具有独特的编码(参数组号：PGN)。

网络管理

J1939网络管理分散化，也就是说，每个控制单元必须采用最小的功能。网络管理功能在文档SAE J1939/81中有描述。由于网络管理可视为能够达到硬件(第1层)的独立单元，它在图表的右侧作为独立的功能块。

设备名称，报文结构，地址声明(J1939/81)

设备地址

电子控制单元(ECU)的软件是控制器应用(CA)。一个ECU可能包含一个或多个CA。每个CA具有独一无二的地址和相关的设备名称。每个由CA发送的报文都包含此源地址。

在J1939的地址空间，具有256个可能的设备地址：

0..127 – 用于CA首选的地址和定义功能
128..247 – 所有CA可用
248..253 – 用于CA首选的地址和定义功能
254 – 空
255 – 全球

大多数CA如引擎，传输等，都有首选地址。

设备名称

J1939定义了设备名称，每个代表了一个64位的(8字节)长标签并且用于识别设备及其功能。该设备名称被划分成不同的元素，这些元素有些是相互依赖的。独立的区域包括”行业组”和”制造商代码”。

图表：设备名称的结构

通过行业组决定了网络所需的功能，因为J1939协议不仅仅用于传统的商用车辆，也用于农业工程，或者用于海事领域。
SAE中必须应用制造商代码，并且也由此分配。该制造商代码和额外的身份代码(例如序列号)让整个设备的名称在全球独一无二。
如果多个CA具有相同的功能时就需要功能实例。

CAN标识符

J1939报文基于CAN 2.0B规范，并且使用特定的”扩展帧”。它们使用29位的标识符而不是通常的11位标识符。J1939-21使用这个29位标识符定义区域，如下所示。

图表：结构参数组

首三位(优先区：P)定义了网络上报文的优先级，并且确保具有更高重要性的报文比低优先级的报文先发送；P=0的报文具有最高优先级。
使用扩展数据页位置(EDP)和数据页位(DP)，对于J1939报文(参数组)可选择四个不同的”数据页”： EDP DP 描述 0 0 SAE J1939参数组 0 1 NMEA2000定义的 1 0 SAE J1939预留的 1 1 ISO 15765-3定义的
PDU格式区(协议数据单元格式，PDU F)定义了报文是为网络上的特定设备所用，还是为整个网络所用。如果PDU F <240，就应该处理特定的设备，如果PDU F > = 240，报文就为所有设备所用。
PDU Specific(PDU S)区的定义基于PDU F区的值。 a.) 如果报文为特定的设备所用(PDU F <239)，PDU S就被翻译成该设备的地址；在这种情况下，PDU S区被叫做“目的地址区”(PDU 1)。 b.) 如果报文位所有设备所用(PDU F> = 240)，PDU S就被翻译成“组扩展区”。这种组扩展(PDU 2)用于提升可广播报文的数量。
最后8位CAN标识符用于识别发送当前报文的设备的地址 = “源地址区”。

地址声明

在CA使用地址前，它必须在网络中对该地址进行声明；这个过程叫做”地址声明” (ACL)。在此，使用独一无二的设备名称来解决地址分配冲突：数值越小，优先级越高。在启动时，CA发送“地址声明PGN”(ACL, PGN 00EE00h)并且等待预定的时间以响应。如果在此期间没有其他CA声明相同的地址，CA就可以开始正常通讯。

图表：地址声明过程

如果网络上的另一个CA已经使用了相同的地址，这就产生了地址冲突。设备名称中具有更高优先级的CA就获得该地址。这取决于CA接下来如何工作的”地址能力” ：如果CA具有”非自配置”的地址能力，就必须发送带有“源地址”0(254)”的“不能声明地址”PGN。否则，就需要从空闲地址池(128-247)中为自己挑选新地址。

图表：具有地址冲突的地址声明过程

J1939报文示例(参数组)

名称：引擎温度 – PG号：65262 (FEEE Hex) – PDU格式：254 (FE Hex) – PDU特有：238 (EE Hex) – 默认优先级：6 – 传输速率：1 s – 数据长度：8字节

数据描述 字节1：发动机冷却液温度字节2：燃油温度字节3，4：发动机机油温度字节5，6：涡轮油温字节7：发动机中间冷却器温度字节8：未定义

分散传输大数据块

在SAE J1939报文中，具有多于8字节的数据通过“分散传输”得以传输。这就构成了订阅者导向的通讯(“点对点”)和总体通讯(“广播”)之间的区别。

点对点

在点对点通讯中，规定了目的地址(目的地址)。该数据分配给特定的订阅者，然后就可确认传输：

点对点的通讯由接收器通过”清除发送”(CTS)报文的方式控制。
传输器可能只能传输接收器CTS(0-255)定义的数据分段数量。
接收器可以通过“约束”功能推迟信息流(具有0数据分段的CTS)
如果发送器接收到了”报文中止” (EOM)，那么传输就成功完成了。
点对点报文 – 发送请求(RTS) – 清除发送(CTS) – 连接中止(CA) – 报文中止应答(EOM) – 数据传输报文(DTM)

图表：点对点报文

广播

广播是没有确认的通讯(没有通讯量控制)。传输器/发送器不知道报文的接收对象是谁。将应用如下过程：

传输的启动是由“广播通知报文”(BAM)来通知的。该报文包括字节数量，分段数量以及要传输的数据参数组数量。
为了给所有的潜在接收者足够时间准备接收所通知的数据块，传输器可能只有在BAM报文之后50ms才开始传送第一个数据段。而且必须遵守单独的数据段之间具有50 ms的时间间隔。
如果接收器接收报文有问题，就不允许其通过“连接中断”来中断传输，因为通常它不是唯一的接收者。
广播报文 – 广播通知报文(BAM) – 数据传输报文(DTM)