汽车总线之----J1939总线

instruction

SAE J1939 是由美国汽车工程协会制定的一种总线通信协议标准，广泛应用于商用车，船舶，农林机械领域中，J1939协议是基于CAN的高层协议，我们来看一下两者之间的关系。在J1939 中，物理层和数据链路层都是基于CAN标准，使用的是CAN扩展真帧格式，除此以外，J1939 在CAN 标准的基础上做了一些额外的规定，比如对29位的ID有更详细的定义，J1939 中的数据单元为parameter group及参数组，参数组是由参数组编号以及PGN所标识的，参数组携带的数据长度不再限制为八个字节，实现这一点的必要规定主要在OSI模型中的更高层进行定义。
在这里插入图片描述

在J1939 中存在两种通信方式，分别是点对点和广播通信，我们知道CAN采用的是广播通信，既然J1939 是基于CAN的通信协议，为什么会有点对点的连接方式呢，其实在J1939 中，数据链路层采用的仍然是广播通信的方式，这与CAN是一致的，具体点对点还是广播的方式，其实是在OSI模型中的第七层及应用层决定的。
在这里插入图片描述

这里我们可以看一个例子来理解这两种通信方式，在这个网络中有五个节点，红线表示的是点对点的通信方式，蓝线表示的就是广播的通信方式，我们具体来看一下transmission controller或break system controller，可以通过发送TSC1这一个参数组给Engine controler，来控制发动机扭矩，这就是点对点的通信方式，这种通信方式具备特定的发送方和接收方，instrument class control了，可以通过RQST这个参数组，向总线上的所有其他ECU请求获得他们的地址，这就是广播通信方式。
在这里插入图片描述

J1939 参数组和信号

首先我们先来学习PDU和PGN这两个重要的概念，首先是PDU，PDU是应用层和网络层中的数据单元，用于与数据链路层进行数据交互。接着我们再来看一下PGN，PGN及参数组是具有彼此相关性，并且传输速率相同的一组信号。每个参数组都有唯一的编号及PGN，也就是参数组编号。PGN的长度为24个位，六个最高位为零，其余部分分别是扩展数据页EDP，数据页DP， PDU格式PF， PDU细节PS。 EDP和DP两个位的组合用于扩展PGN的范围，在J1939 中一般使用的是00，其余的组合用于NMA2000 或者诊断等。在EDP和DP之后是八个位的PDU格式及PF，PDU格式有两种，当PF的范围为0x00 到0x1 f时，为PDU格式1，此时PDU细节也就是PS表示的是目标地址，当PF的范围为0xf0 到0xff时，PS表示的是组扩展，组扩展意味着可以扩大PGN的数量，后续内容中会向大家介绍PGN数量的计算，了解了PDU和PGN这两个概念后，我们可以看一下PDU的结构，首先是三个位的优先级，这三个位主要控制访问总线的优先级，在PGN之后是八个位的原地址，结合两种PDU格式就可以实现点对点或者广播的通信方式，最后是数据场内容，整体上PDU分为七个部分，在进行通信时，PDU是需要映射到CAM报文进行发送的，数据场内容是放到CAN报文的数据场，发送的前六个部分则会与CAN中定义的29位的ID进行映射。
在这里插入图片描述

我们具体来看一下，我们可以看到前六个部分是按照高位到低位的顺序，依次分布在29位ID中的，前面我们介绍到PDU有两种格式，由此我们可以计算所能表示的PGN的数量，当PF小于240时，PS表示的是目标地址，此时可以表示的PGN的数量为240，当PF在240_{255之间时，PS表示的是组扩展，它的范围为0}255，此时PF和PS的组合可表示的PG数量为16x256，所以我们可以计算出PG最大的数量为4336，当然这是EDP和DP的值，均为临时的计算结果，对于EDP和DP的不同组合，还可以表示更多的PGN并应用于不同的场景。
在这里插入图片描述

这11939不仅定义了PGN，还定义了其数据内容，这11939中定义的信号采用的是英特尔编码方式，每个定义的信号称为SPN，每个SPN都有有效的数据范围，比例因子和偏移量，在这里我们可以看一个例子。对于flue temperature，也就是发动机油温，这个SPN它的数据范围为-40摄氏度到正210摄氏度，它的比例因子为一摄氏度，偏移量为-40摄氏度，根据比例因子和偏移量就可以得出原始值到物理值的转换公式，也就是原始值乘以比例因子，然后再加上偏移量，比如现在原始值为100，那么所表示的发动机油温的物理值为60摄氏度，通过以上内容，我们学习了PDU， PG以及SPN这三个J1939 中重要的概念，相关内容，大家也可以查阅J1939-21这一个文档进行学习，
在这里插入图片描述

J1939传输协议

介绍J1939 的传输协议，传输协议主要实现数据的拆装重组以及连接管理，下面我们具体来看一下，首先我们对传输协议进行整体的了解，在J1939 中有两种通信方式，分别是点对点和广播通信，这两种通信方式对应两种类型的传输协议，对于一帧CAN报文，它的数据厂长度最大为八个字节。在J1939 中，PGN的数据长度不限于八个字节，但由于J1939 中物理层和数据链路层都是基于CAN标准，因此对于大于八个字节的数据，需要发送方将其拆分为多个数据包，然后通过CAN报文形式进行发送，接收方则需要将接收的数据进行重组，这就是通过传输协议实现的。
在这里插入图片描述

下面我们具体来看一下，对于点对点的通信方式，采用的是connection mode date transfer，简称为cmdt，也就是连接模式，数据传输这种传输协议，数据的传输建立在发送方和接收方建立连接的基础上，接收方可以对数据包的流量进行控制，并且发送方和接收方都可以终止连接，对于广播通信方式采用的是broadcast a nice message，简称为bm应用，这种传输协议数据会发送到所有节点。
在这里插入图片描述

在J1939 中，有两个PGM用于传输协议，实现多包数据的点对点以及广播传输，第一个PGN为TP.CM及00ec00，这个PGN用于连接管理以及流量控制，它的数据长度为八个字节，其中第一个字节为控制字节，包括请求发送，允许发送报文，结束应答，终止连接以及广播发送。后期和字节根据控制类型的不同，定义也有所不同，后续我们也会详细介绍几种典型的控制类型，第二个PGN为TP.DT即001b00 ，这个PGN用于实现数据包的传输，接下来我们就来看一下这两个PG如何实现多包数据的传输。
在这里插入图片描述

首先我们先来看TP.CM，当控制字节为0x10 时，表示的是请求发送，即rts，此时第二第三个字节表示的是要发送的数据的字节数，第四个字节表示的是要发送的数据包的数量，第五个字节表示的是每接收到一个cts后，能发送的最大的数据包的数量，第六到第八个字节表示的是打包数据的拼接，通过rts发送方告知接收方网络中有节点希望与其建立连接，也就是明确发送的意图，当节点接收到rts报文后，可以选择建立连接或者拒绝连接，当选择建立连接时，接收方需要发送一个cs报文，通知发送方，他可以接收数据，cp报文的控制字节为0x11 ，此时第二个字节表示的是可以发送的数据包的数量，第三个字节表示的是下一个发送的数据包的编号，第六到第八个字节表示的是打包数据的PGN对于点对点的通信方式，当控制字节为0xff和0x1330表示的分别是终止连接和报文结束应答，这里就不做详细介绍，大家可以查阅J1939-21这一个文档进行学习，当控制字节为0x20 时，表示的是广播通信的方式，发送方告知网络上的所有节点要广播发送数据，通过TP.CM不同的控制类型就可以实现点对点的连接或广播通信。
在这里插入图片描述

而TP.DT这个PGN则可以实现数据包的传输，对于两种通信方式打包的数据都是通过TP.DT传输的，它的数据厂长度为八个字节，第一个字节表示的是数据包的序列编号，序列编号从一开始依次分配给每个数据包，最大为255，第二到第八个字节的内容为打包的数据，因此每个TP.DT可以传输七个字节的数据，数据将从编号为一的数据包开始按编号的递增顺序传输，因此我们可以知道可以拆分的包数为255，每个数据包包含的数据为七个字节，所以可以计算出J1939 中最大可以传输7x255，也就是1785个字节的数据。
在这里插入图片描述