工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)與技術(shù)

（現(xiàn)場總線）許勇xuy@Can的應(yīng)用層在ISO-OSI模型中，CAN協(xié)議定義的是物理層及數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范，而應(yīng)用層協(xié)議定義與實際應(yīng)用相關(guān)的通訊參數(shù),特別是要定義CAN報文中的11/29位標(biāo)識符、8字節(jié)數(shù)據(jù)的使用。應(yīng)用層還為網(wǎng)絡(luò)中每一個有效設(shè)備都能夠提供一組有用的服務(wù)與協(xié)議，包括：通訊描述（Communicationprofile）：提供配置設(shè)備、通訊數(shù)據(jù)的含義，定義數(shù)據(jù)通訊方式。設(shè)備描述（Deviceproflile）：為設(shè)備增加符合規(guī)范的行為。在基于CAN的自動化和測控應(yīng)用中，需要開放和標(biāo)準化：能支持各種N廠商設(shè)備，能提供標(biāo)準的、統(tǒng)一的系統(tǒng)通訊模式，提供設(shè)備功能描述方式，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理功能。常用的通用系統(tǒng)開放標(biāo)準有CANopen、SAEJ1939等。但也有一些專用的標(biāo)準,專門用于特定的系統(tǒng)。I.概述CAL協(xié)議（CANApplicationLayerCAL由CiA（CANinAutomation）協(xié)會負責(zé)管理。在實際中不直接使用。CAL提供了4種應(yīng)用層服務(wù)功能：CMS(CAN-basedMessageSpecification):提供基于變量、事件、域類型的對象，以設(shè)計和規(guī)定一個設(shè)備（節(jié)點）的功能如何被訪問。CMS從MMS(ManufacturingMessageSpecification)繼承而來。MMS是OSI為工業(yè)設(shè)備的遠程控制和監(jiān)控而制定的應(yīng)用層規(guī)范。NMT(NetworkManagemenT):提供網(wǎng)絡(luò)管理（如初始化、啟動和停止節(jié)點，偵測失效節(jié)點）服務(wù)。DBT(DistriBuTor)：提供動態(tài)分配CANID服務(wù)。LMT(LayerManagemenT)：

提供修改層參數(shù)的服務(wù)：一個節(jié)點（LMTMaster）可以設(shè)置另外一個節(jié)點（LMTSlave）的某層參數(shù)（如改變一個節(jié)點的NMT地址，或改變CAN接口的位定時和波特率）。應(yīng)用層主要內(nèi)容包括：信息標(biāo)識符的分配;

數(shù)據(jù)交換的方法;

建立信息連接的方法;

網(wǎng)絡(luò)管理;

設(shè)備建模和子協(xié)議。

其中信息標(biāo)識符的分配是系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)元素，也影響了信息濾波和標(biāo)識符的使用效率問題。由于標(biāo)識符分配的方法不同，不同的協(xié)議在解決方案已把不同的原則考慮進去。在簡單應(yīng)用中，也可以自定義。II.簡單應(yīng)用層設(shè)計1.應(yīng)用層內(nèi)容的自定義1）

標(biāo)識符編碼定義CAN總線通過報文標(biāo)識符實現(xiàn)沖突仲裁。在簡單應(yīng)用中，這29位標(biāo)識符分為7個部分，其編碼格式定義如例所示。標(biāo)識符編碼格式的定義：優(yōu)先級：2位，用于指示報文的優(yōu)先級。0為最高級，3為最低級。控制命令優(yōu)先級為0，控制參數(shù)優(yōu)先級為1。而配置參數(shù)、狀態(tài)信息等非實時信息，定義其優(yōu)先級為2。功能碼：4位，用于指示報文所需實現(xiàn)的功能。接收報文的節(jié)點根據(jù)報文中的功能碼進行相應(yīng)的處理。保留位：2位，對發(fā)送節(jié)點，此位清零，用于將來使用。目標(biāo)地址：8位，用于指示接收報文的目標(biāo)節(jié)點地址。取值為255該報文為廣播報文；其余值用于點對點報文。源地址：8位，合法取值范圍為0—254，可支持同一網(wǎng)段中最多可掛接255個節(jié)點。內(nèi)部單元號：4位，用于指示從機節(jié)點的內(nèi)部單元。接收報文的節(jié)點根據(jù)報文中內(nèi)部單元號對相應(yīng)的單元進行操作。應(yīng)答位：1位，用于指示該報文是否需要應(yīng)答確認。本協(xié)議只需要對部分報文作確認，可以根據(jù)報文內(nèi)容選擇是否應(yīng)答確認，進行靈活的應(yīng)答控制。2）

數(shù)據(jù)編碼定義CAN總線數(shù)據(jù)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀數(shù)據(jù)域最多為8個字節(jié)，可以滿足控制系統(tǒng)中控制命令、控制參數(shù)、狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)長度要求。同時0—8個字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。在數(shù)據(jù)打包過程中，對于相關(guān)數(shù)據(jù)可以打包到1幀中，以保證數(shù)據(jù)的發(fā)送效率，充分利用總線帶寬。對于需要快速發(fā)送的數(shù)據(jù)如控制命令，數(shù)據(jù)長度要盡可能短，以確保傳輸時間足夠短，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。在協(xié)議中，控制命令和狀態(tài)信息用1字節(jié)二進制數(shù)表示?？刂茀?shù)和配置參數(shù)用4字節(jié)的單精度浮點數(shù)表示。CANopen是在CAL基礎(chǔ)上開發(fā)的（11位的標(biāo)識符），定義了基于CAN的分布式工業(yè)自動化系統(tǒng)的應(yīng)用標(biāo)準以及CAN應(yīng)用層通信標(biāo)準。CANopen使用了CAL通訊和服務(wù)協(xié)議子集，提供了分布式控制系統(tǒng)的一種實現(xiàn)方案。CANopen在保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點互用性的同時允許節(jié)點的功能隨意擴展。CANopen的核心概念是設(shè)備對象字典（OD：ObjectDictionary）。在其它現(xiàn)場總線（Profibus，Interbus-S）系統(tǒng)中也使用這種設(shè)備描述形式。（注意：對象字典不是CAL的一部分，而是在CANopen中實現(xiàn)的。）對象字典分為兩部分，第一部分包括基本的設(shè)備信息，例如設(shè)備ID，制造商，通信參數(shù)等等。第二部分描述了特殊的設(shè)備功能。III.CANopen1.CANopen標(biāo)識符CAL中CMS將信息標(biāo)識符定義了8個優(yōu)先級，每個級別擁有220個ID，范圍從1～1760，剩余的標(biāo)志(0，1761～2031)保留給NMT。CANopen可能訪問的節(jié)點為128個，保留128個信息標(biāo)識符作為節(jié)點保護。CANopen的標(biāo)識符分配方案可以供127臺設(shè)備默認連接到一臺主設(shè)備上。設(shè)備標(biāo)識符用7位（如圖）。通過4位的功能代碼可區(qū)分16種基本功能:2個數(shù)據(jù)過程信道的接收和發(fā)送、一個點對點信道、節(jié)點狀態(tài)控制、節(jié)點保護、緊急情況通報以及接收同步信息和有時間標(biāo)記的信息。由于信息的優(yōu)先級由它的功能決定，所以功能代碼位于信息標(biāo)識符的最高幾位。2.CANopen對象字典OD(ObjectDictionary）對象字典是一個有序的對象組；每個對象采用一個16位的索引值來尋址，為了允許訪問數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的單個元素，同時定義了一個8位的子索引（下圖）。一個節(jié)點的對象字典的有關(guān)范圍在0x1000到0x9FFF之間。CANopen網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都有一個對象字典。對象字典包含了描述這個設(shè)備和它的網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)。設(shè)備“應(yīng)用對象”可以是IO信號，設(shè)備參數(shù)或功能和網(wǎng)絡(luò)變量等等。一個節(jié)點的對象字典是在電子數(shù)據(jù)文檔（EDS：ElectronicDataSheet）采用ASCII格式描述。實際設(shè)備設(shè)置通過設(shè)備配置文件（DCF-DeviceConfigurationFile）進行。EDS和DCF都可以從Internet上下載，并可存儲在設(shè)備之中。不必知道一個對象字典中所有參數(shù)。節(jié)點本身只需要能夠提供對象字典中必需的對象（CANopen中必需項實際不多），以及其它可選擇的、構(gòu)成節(jié)點部分可配置功能的對象。對象字典通用結(jié)構(gòu)通訊子協(xié)議（communicationprofile），描述對象字典的主要形式和對象字典中的通訊子協(xié)議區(qū)域中的對象，通訊參數(shù)。同時描述CANopen通訊對象。這個子協(xié)議適用于所有的CANopen設(shè)備。設(shè)備子協(xié)議（deviceprofile）,為各種不同類型設(shè)備定義對象字典中的對象。如數(shù)字和模擬的輸入輸出模塊，驅(qū)動設(shè)備，操作設(shè)備，控制器，可編程控制器或編碼器。設(shè)備子集定義了不同類型的標(biāo)準設(shè)備及其相應(yīng)的功能。設(shè)備子協(xié)議為對象字典中的每個對象描述了它的功能、名字、索引和子索引、數(shù)據(jù)類型，以及這個對象是必需的還是可選的，這個對象是只讀、只寫或者可讀寫等等。CANopen分為兩種基本的數(shù)據(jù)傳輸機制：通過進程數(shù)據(jù)對象(PDO)對小型的數(shù)據(jù)進行高速數(shù)據(jù)交換以及通過服務(wù)數(shù)據(jù)對象（SDO-ServiceDataObjects）對對象字典進行訪問。后者主要用于在設(shè)備配置過程中傳輸參數(shù)以及傳輸大數(shù)據(jù)塊。進程數(shù)據(jù)對象通常采用事件觸發(fā)、循環(huán)或請求方式發(fā)送，作為廣播對象，它的上層并沒有附加協(xié)議。一個PDO最大可傳輸8字節(jié)數(shù)據(jù)。在連接一個同步報文的時候，整個網(wǎng)絡(luò)都可以采用同步方式對PDO進行傳送和接收(Synchro-nousPDOs)。通過存儲在對象字典中的PDO映射(PDOMapping)結(jié)構(gòu)，可以對應(yīng)用對象到PDO對象的分配(TransmissionObject)進行調(diào)整，這可以保證設(shè)備可以對不同的應(yīng)用需求進行調(diào)整。通過傳輸SDO可以實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，由兩個CAN對象在兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間通過點對點的通信來實現(xiàn)這一過程。通過傳輸對象字典的索引以及子索引，可以定位相應(yīng)的對象字典入口。通過SDO傳送報文可以不受長度的限制，但傳送SDO報文需要額外的協(xié)議開銷。標(biāo)準化的事件觸發(fā)的高優(yōu)先級突發(fā)報文用于報告設(shè)備故障，可以通過中心時鐘報文來提供整個系統(tǒng)的系統(tǒng)時鐘。準備和協(xié)調(diào)建立一個分布式的自動化系統(tǒng)所需的功能都適于CAL網(wǎng)絡(luò)管理（NMT）定義的機制，同樣可應(yīng)用于周期性的節(jié)點維護(nodeguarding)?？梢赃x擇通過"HeartbeatMessage"來顯示CANopen設(shè)備的通信能力。PDO和SDO的CAN報文標(biāo)識符可以直接通過對象字典的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的入口標(biāo)志符進行分配,或者，在簡單的系統(tǒng)中，也可用預(yù)定義的標(biāo)志符。IV.SAEJ1939制訂機構(gòu)：SAE(SocietyofAutomotiveEngineer)-卡車和公共汽車電氣電子委員會（Track&BusElectrical&ElectronicsCommittee）-“卡車與大型客車控制和通訊網(wǎng)絡(luò)附屬委員會”（Track&BusControlandCommunicationsNetworkSubcommittee）制訂目的：為中重型道路車輛上電子部件間的通訊提供標(biāo)準體系結(jié)構(gòu)協(xié)議內(nèi)容:物理層——SAEJ1939-11,-13,-15數(shù)據(jù)鏈路層——SAEJ1939-21網(wǎng)絡(luò)層——SAEJ1939-31車輛應(yīng)用層——SAEJ1939-71應(yīng)用層-診斷——SAEJ1939-73網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議——SAEJ1939-81目前車輛的ECU大都帶SAEJ1939/CAN接口。針對具有SAEJ1939CAN接口的ECU產(chǎn)品，集成實現(xiàn)車輛網(wǎng)絡(luò)，完成自定義ECU的信息采集和各ECU間的信息交換。J1939協(xié)議具有如下特點：(1)以CAN2.0B協(xié)議為基礎(chǔ)，物理層標(biāo)準與ISO11898規(guī)范兼容并采用符合該規(guī)范的CAN控制器及收發(fā)器。通訊速率最高可達到250Kbps。終端120Ω電阻。(2)采用PDU傳送信息，每個PDU相當(dāng)于CAN協(xié)議中的一幀。由于每個CAN幀最多可傳輸8個字節(jié)數(shù)據(jù)，因此PDU的傳輸具有很高的實時性。(3)利用CAN2.0B擴展幀格式的29位標(biāo)志符定義每一個PDU的含義以及該PDU的優(yōu)先級。(4)J1939協(xié)議主要作為汽車中應(yīng)用的通訊協(xié)議，對汽車中應(yīng)用到的各類參數(shù)都進行了規(guī)定。參數(shù)的規(guī)定符合ISO11992標(biāo)準。J1939協(xié)議是目前在商用車輛、艦船、軌道機車、農(nóng)業(yè)機械和大型發(fā)動機中是應(yīng)用最廣泛的應(yīng)用層協(xié)議。通過J1939能夠傳輸測量值和控制數(shù)據(jù)并配置元件。另外，還能夠讀或刪除單個元件診斷數(shù)據(jù)，并對單個控制進行校準。比如商用車所有相關(guān)變量都要在SAEJ1939中定義值域、分辨率、識別數(shù)等等。在SAEJ1939協(xié)議中，不僅僅指定了傳輸類型、報文結(jié)構(gòu)及其分段、流量檢查等，而且報文內(nèi)容本身也做了精確的定義。SAEJ1939在ISO/OSI層模型中的分布根據(jù)OSI層模型，但其第5和6層是不需要的，因此沒有定義。SAEJ1939的功能被分為如下幾層：第一層(物理層)描述在其它事物中與物理媒介的電子接口；第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)描述基于CAN2.0B規(guī)格的CAN數(shù)據(jù)通信；第三層(網(wǎng)絡(luò)層)主要描述兩個網(wǎng)絡(luò)部分間針對報文傳輸?shù)木W(wǎng)橋的功能，并且只與J1939網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)相關(guān)；第四層(傳輸層)基本上描述的是針對報文申請模式、確認傳輸和大數(shù)據(jù)塊的分段傳輸?shù)母鞣N網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；第七層(應(yīng)用層)描述實際的數(shù)據(jù)(參數(shù)或帶有值域的網(wǎng)絡(luò)變量、分辨率、物理單元和傳輸類型)。每個報文無歧義地對應(yīng)一個數(shù)(參數(shù)組數(shù))；由于網(wǎng)絡(luò)管理可以被當(dāng)作一個分離的單元，能直達硬件(第一層)，因此在這個層模型中，該模塊是作為右手邊的一個獨立的功能塊。網(wǎng)絡(luò)管理基本上包括自動分配或決定節(jié)點地址(即插即用原則)。1.物理層J1939物理層有三個子協(xié)議，基本內(nèi)容是共同的：采用特征阻抗為120Ω的雙絞線，波特率250kbps網(wǎng)段盡可能使用線性拓撲結(jié)構(gòu)其中J1939/11規(guī)定了基本內(nèi)容（采用屏蔽雙絞線-3wire），J1939/13主要規(guī)定了離線診斷連接器的物理規(guī)范（4wire）：性能、機械特性和安裝要求等；J1939/15是簡化的J1939/11協(xié)議（采用非屏蔽雙絞線-2wire）。J1939/11的基本內(nèi)容還有：每個網(wǎng)段的ECU數(shù)由電氣負載決定，最多30個。（在J1939/15中則為最多10個）；特征阻抗為120Ω（70-140）差分電壓（2.5/2.53.5/1.5）標(biāo)準對很多技術(shù)細節(jié)做了規(guī)定，比如連接器應(yīng)有符合要求的鎖閉、偏振和保持裝置，應(yīng)用的環(huán)境保護措施。連接ECU的“短截線連接器”（stubconnector）和擴展網(wǎng)段的“直通連接器”（throughconnector）的尺寸特性等。標(biāo)準中還包括線路故障的描述和示例。標(biāo)準還附有4個資料性附錄，分別為：附錄A：物理層電路范例附錄B：電纜作終端的方法附錄C：電纜連接方法附錄D：電纜修復(fù)方法使用中繼器和網(wǎng)橋來延長網(wǎng)段和進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和過濾。網(wǎng)橋也可以用來把網(wǎng)絡(luò)拆解成網(wǎng)絡(luò)分支以分割網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流，這樣就可以隔離分支中發(fā)生的故障，減少每個網(wǎng)絡(luò)分支的負載，提高整個網(wǎng)絡(luò)效率。2.數(shù)據(jù)鏈路層

：數(shù)據(jù)鏈路層在物理層之上提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)了應(yīng)用層報文的數(shù)據(jù)交換。通過數(shù)據(jù)鏈路層的組織，實現(xiàn)了發(fā)送數(shù)據(jù)幀必須具有的同步、順序控制、錯誤控制和流控制等功能。和物理層一樣，J1939的數(shù)據(jù)鏈路層也兼容CAN規(guī)范。但J1939協(xié)議引入?yún)f(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU(ProtocolDataUnit)的概念，對擴展幀ID做了重新定義。CAN幀ID中前11位ID被劃分為3位優(yōu)先權(quán)域、1位保留位、1位數(shù)據(jù)頁位(DP)和6位協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式域(PDU)高6位，后18位擴展ID被劃分為2位協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式域(PDU)低2位、8位特定PDU域(PS)和8位源地址域(SA)。J1939的PDU圖

1939的PDU與CAN幀的關(guān)系示意圖其中：PRIORTY(P):表示優(yōu)先級。從0到7，優(yōu)先級從高到低。（默認值：控制-3；其它-6）DATAPAGE(DP-數(shù)據(jù)頁位):用來選擇附加參數(shù)組目錄。PDUFORMAT(PF):8b，屬于J1939PGN一部分，用來標(biāo)識和定義請求，應(yīng)答，拒絕應(yīng)答等命令及數(shù)據(jù)。PDUSPECIFIC(PS-擴展單元):8b，如果PF<240，則PS代表目的地;如果PF>=240，則PS是擴展組GE的值。采用這種格式的參數(shù)組只能作為全局消息進行通信DestinationAddress(DA):255是全局地址。SOURCEADDRESS(SA):8b,CAN標(biāo)識符的唯一性。DataField:8字節(jié)數(shù)據(jù)。如數(shù)據(jù)超過8字節(jié)，則需分成幾個數(shù)據(jù)包發(fā)送。用數(shù)據(jù)域第一個字節(jié)作報文序號。傳輸協(xié)議功能一個9字節(jié)及以上的字符串參數(shù)組無法用單個CAN數(shù)據(jù)幀來裝載。它們必須被拆分為若干個小的數(shù)據(jù)包。第一個數(shù)據(jù)傳送包包含序列編號1和字符串的頭7個字節(jié)，其后的7個字節(jié)跟隨序列編號2存放在另一個CAN數(shù)據(jù)幀中，再隨后的7個字節(jié)與編號3一起，直到原始信息中所有的字節(jié)都被存放到CAN數(shù)據(jù)幀中并被傳送。1）CAN的傳輸協(xié)議功能是數(shù)據(jù)鏈路層的一部分，它可再細分為兩個主要功能：消息的拆裝和重組以及連接管理?！鞍l(fā)送者”（originator）指那些發(fā)出請求發(fā)送消息（RTS）的電控單元或設(shè)備。“響應(yīng)者”（responder）指那些發(fā)出應(yīng)答發(fā)送消息（CTS）的電控單元或設(shè)備。序列編號是在數(shù)據(jù)拆裝時分配的，每個數(shù)據(jù)包分配一個從1到255的序列編號。接收方利用這些編號把數(shù)據(jù)包重組成原始信息。含序列編號1和字符串的頭7個字節(jié)，其后的7個字節(jié)跟隨序列編號2存放在另一個CAN數(shù)據(jù)幀中，再隨后的7個字節(jié)與編號3一起，直到原始信息中所有的字節(jié)都被存放到CAN數(shù)據(jù)幀中并被傳送。傳送的每個數(shù)據(jù)包（除了傳送隊列中的最后一個數(shù)據(jù)包）都裝載著原始數(shù)據(jù)中的7個字節(jié)。這樣：一個數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)域的8個字節(jié)包含：數(shù)據(jù)包的序列編號和參數(shù)組至少一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，余下未使用的字節(jié)全部設(shè)置為“FF16”。2）

連接管理為在兩個節(jié)點間傳送長消息，需要先建立虛擬連接。連接管理就用于處理節(jié)點間虛擬連接的打開、使用和關(guān)閉。。如果連接是一點到多點，則無數(shù)據(jù)流控制和關(guān)閉功能。（如果某節(jié)點要廣播多包消息，要先發(fā)送廣播公告消息（BAM），包含長消息參數(shù)組編號、消息大小和被拆裝的數(shù)據(jù)包的數(shù)目。然后，使用PGN=60160發(fā)送）。連接初始化：節(jié)點傳送請求發(fā)送消息（RTS）給一個目標(biāo)地址，包含消息字節(jié)數(shù)，消息包數(shù)，響應(yīng)一個CTS能發(fā)送的最大數(shù)據(jù)包數(shù)，以及傳送信息的參數(shù)組編號。接到請求節(jié)點如果選擇接收，發(fā)送CTS消息，包含可接收數(shù)據(jù)包的數(shù)目，和要接收的第一個數(shù)據(jù)包的序列編號。如果選擇拒絕連接，響應(yīng)者將發(fā)送一條放棄連接消息。在響應(yīng)者成功傳送了對一個RTS消息響應(yīng)的CTS消息后，就可以認為響應(yīng)者的連接已經(jīng)建立了。數(shù)據(jù)傳輸正式開始。（有一種例外的情況，就是當(dāng)節(jié)點發(fā)送了“廣播公告消息”后開始數(shù)據(jù)傳輸，不需要使用CTS）。用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜GN將包含在每個數(shù)據(jù)包的CAN標(biāo)識符域。數(shù)據(jù)域首字節(jié)將存放數(shù)據(jù)包的序列編號。響應(yīng)者負責(zé)調(diào)整節(jié)點間數(shù)據(jù)流控制。如果響應(yīng)者想停止已開始的數(shù)據(jù)流，必須使用CTS把要接收數(shù)據(jù)包數(shù)目設(shè)置為零。關(guān)閉連接有兩種情形：連接到全局目標(biāo)地址時，接收完數(shù)據(jù)后沒有關(guān)閉連接的操作連到接指定目標(biāo)地址，發(fā)送者或者響應(yīng)者都可以在任何時候使用“放棄連接”消息（TP.CM_Abort）來終止連接。響應(yīng)者則可以發(fā)送一個消息結(jié)束應(yīng)答（TP.CM_EndOfMsgAck）給消息的發(fā)送者，來釋放連接，以供其他設(shè)備使用。傳輸協(xié)議—連接管理消息（TP.CM）這種消息類型是用于建立和關(guān)閉連接，以及控制數(shù)據(jù)流。傳輸協(xié)議提供了以下5種傳輸協(xié)議連接管理消息：連接模式下的請求發(fā)送-（TP.CM_RTS）連接模式下的準備發(fā)送-（TP.CM_CTS）消息結(jié)束應(yīng)答-（TP.CM_EndofMsgAck）放棄連接-（TP.CM_Abort），廣播公告消息-（TP.CM_BAM）。傳輸協(xié)議—數(shù)據(jù)傳送消息（TP.DT）TP.DT消息用于與同一個參數(shù)組相關(guān)的數(shù)據(jù)通信。它是多包消息傳送中的單個數(shù)據(jù)包。例如，通信時，一條長消息為了被分割成5個數(shù)據(jù)包，就有5個TP.DT消息。附錄D列舉了TP.DT消息使用的例子。TP.DT消息只能由發(fā)送者發(fā)送網(wǎng)絡(luò)上的每個節(jié)點每次可以發(fā)起一個給定目標(biāo)地址的指定目標(biāo)地址連接傳送。這是因為TP.DT消息只包含要傳送數(shù)據(jù)的源地址和目標(biāo)地址，而非PGN值。在一個指定時刻，一個發(fā)送者只能發(fā)送一個多包BAM消息。這是因為TP.DT消息不包含目前的PGN值或者連接標(biāo)識符。但是，響應(yīng)者（例如，本例中的接收設(shè)備）必須能識別來自多個不同發(fā)送者的多包消息，接收時不能搞混。一個節(jié)點必須能夠支持同時來自于同一個源地址的一個RTS/CTS會話和一個BAM會話。響應(yīng)者必須用這兩種傳輸協(xié)議消息的目標(biāo)地址來區(qū)分。其中一種傳輸協(xié)議消息使用全局目標(biāo)地址，另一種消息使用指定目標(biāo)地址。因為TP.DT消息不包含目前的PGN值和連接標(biāo)識符，所以只能通過目標(biāo)地址來區(qū)分這兩種消息。不管一個節(jié)點能不能夠支持多個同時發(fā)生的傳輸協(xié)議會話（RTS/CTS與/或BAM），它都必須確保來自同一源地址但帶有不同目標(biāo)。傳輸協(xié)議的使用制定傳輸協(xié)議是為了傳送數(shù)據(jù)在９字節(jié)或以上的PGN提供一種機制。對于一個定義為多包的PGN消息，在特殊情況下要傳送少于9個字節(jié)的消息，就應(yīng)該使用一個DLC被設(shè)為8的單個CAN數(shù)據(jù)幀來發(fā)送。一些特定的PG可能當(dāng)它們少于或等于8個字節(jié)時，會使用非傳輸協(xié)議的形式來發(fā)送，而當(dāng)它們大于8個字節(jié)時，則使用傳輸協(xié)議的形式來發(fā)送。也有可能同一PG的兩種形式同時進行發(fā)送。需要注意的是，使用非傳輸協(xié)議形式的PGN不是會話，所以發(fā)送該類消息不會關(guān)閉同一個使用傳輸協(xié)議形式的PGN消息的發(fā)送。3.網(wǎng)絡(luò)層多個網(wǎng)段存在時需網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)ECU，功能包括報文轉(zhuǎn)發(fā)、報文過濾、報文地址轉(zhuǎn)換、報文重組及數(shù)據(jù)庫管理:中繼器:用來延長網(wǎng)絡(luò)距離的互連設(shè)備，可以連接不同的媒體。但數(shù)據(jù)傳輸率，數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議和地址空間是相同的。網(wǎng)橋:數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和過濾?？梢园丫W(wǎng)絡(luò)拆解成網(wǎng)絡(luò)分支、分割網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流，隔離分支中發(fā)生的故障，這樣就可以減少每個網(wǎng)絡(luò)分支的負載，提高整個網(wǎng)絡(luò)效率;路由器:可以使網(wǎng)絡(luò)段具有獨立的地址空間和不同的數(shù)據(jù)傳輸率和媒介。網(wǎng)關(guān):可以在不同的協(xié)議和數(shù)據(jù)設(shè)置的網(wǎng)段之間傳送數(shù)據(jù)。子網(wǎng):包括牽引機構(gòu)，拖車機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)和剎車系統(tǒng)。子網(wǎng)由網(wǎng)橋，路由和網(wǎng)關(guān)來劃分，以使各個段上的總線沖突降到最小。4.傳送應(yīng)用層

應(yīng)用層分為傳送應(yīng)用層和故障診斷應(yīng)用層。傳送應(yīng)用層定義了參數(shù)的具體格式，如標(biāo)識符，優(yōu)先級，數(shù)據(jù)長度，參數(shù)的范圍等。定義針對車輛應(yīng)用的信號(參數(shù))和報文(參數(shù)組-與某ECU相關(guān)的多個參數(shù))。定義針對車輛應(yīng)用的信號(參數(shù))和報文(參數(shù)組-與某ECU相關(guān)的多個參數(shù))。和應(yīng)用層通信相關(guān)的還有ECU（CA）的名稱與地址分配。參數(shù)又劃分為:狀態(tài)參數(shù)和測量參數(shù)。狀態(tài)參數(shù)表示具有多態(tài)信號的某一種狀態(tài)，如:發(fā)動機剎車使能/禁能，巡航控制激活/關(guān)閉，扭矩/速度控制超載模式，錯誤代碼等;測量參數(shù)則表示所接受到的信號的值的具體大小。如:缸內(nèi)爆發(fā)壓力，最大巡航速度，發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。。1）可疑參數(shù)編號(SPN)應(yīng)用層通過參數(shù)描述信號，給每個參數(shù)分配了一個19位的可疑參數(shù)編號(SPN)。SPN用來標(biāo)識與ECU相關(guān)的故障診斷元素、部件或參數(shù)組中參數(shù)。分配SPN：參數(shù)組里每一個參數(shù)都有SPN不在參數(shù)組里的故障信號與部件SPN用于多種目的，專用于診斷的有：1）用于識別可修復(fù)的失效最小子系統(tǒng)；2）用于識別子系統(tǒng)或集成部件可能并無嚴重故障，但存在運行不正常；3）識別一個將要告知的專門事件或情況；以及4）用于報告部件和非標(biāo)準的故障模式。SPN需要通過控制模塊的地址編碼來確定故障診斷信息是由網(wǎng)絡(luò)上的哪個控制器來執(zhí)行診斷的。初始的511個SPN是預(yù)置SPN，并將使用與在SAEJ1587中使用的參數(shù)標(biāo)志符（PID-ParameterIdentifier）完全相同的編號。所有其他的SPN將從512開始繼續(xù)編號。生產(chǎn)廠可自定義可疑參數(shù)，編號自520192至524287,多達4096個。1939/73的附錄F中列出了自定義可疑參數(shù)的一些規(guī)則。2）參數(shù)組和PGN參數(shù)組：在一消息（報文）中傳送參數(shù)的集合。參數(shù)組包括：命令、數(shù)據(jù)、請求、應(yīng)答和否定應(yīng)答等。不論是單包消息還是多包消息，參數(shù)組都被看作數(shù)據(jù)。因為參數(shù)組與源地址無關(guān)，因此可以從任何源地址發(fā)送任意的參數(shù)組。參數(shù)組編號ParameterGroupNumber（PGN）參數(shù)組編號PGN用來唯一標(biāo)識一個特定參數(shù)組。除已分配的參數(shù)和參數(shù)組外，用戶還可通過分配未使用的SPN給自定義參數(shù)和定義專有報文對應(yīng)用層進行補充。其中：DATAPAGE(DP-數(shù)據(jù)頁位):用來選擇附加參數(shù)組目錄。PDUFORMAT(PF):8b，已經(jīng)定義兩種專有PGN，使用PDU1支持點對點通信，而大部分用PDU2格式廣播）。專有信息的解釋因制造商而異。制造商A的專用通信極可能與制造商B不同。）PDUSPECIFIC(PS-擴展單元):8b，如果PF<240，則PS代表目的地;如果PF>=240，則PS是擴展組GE的值。采用這種格式的參數(shù)組只能作為全局消息進行通信DestinationAddress(DA):255是全局地址。SOURCEADDRESS(SA):8b,CAN標(biāo)識符的唯一性。其中：GroupExtension(GE):如果PF>=240（即PF最高4位被置1，則值為：128+64+32+16=240）則PS場的值就是GE.

規(guī)定每個數(shù)據(jù)頁4096個參數(shù)組。這4096個參數(shù)組只能使用PDU2格式。另外，每個數(shù)據(jù)頁中有240個參數(shù)組只能使用PDU1格式。綜上，使用這兩個數(shù)據(jù)頁一共可以定義8672個參數(shù)組。這樣使用J1939協(xié)議可用參數(shù)組的總數(shù)目為：

[240+(16X256)]X2=8672個不同的標(biāo)識符。圖

參數(shù)組示例參數(shù)組示例3）

ECU和CA網(wǎng)絡(luò)上的ECU包括標(biāo)準（設(shè)備）ECU、網(wǎng)絡(luò)ECU和診斷開發(fā)工具。各自功能不同。J1939通信網(wǎng)絡(luò)中表示功能模塊的是CA（ControlledApplication-控制器應(yīng)用程序）來代表。一個多功能ECU可以包括多個CA。網(wǎng)絡(luò)管理的具體規(guī)定在J1939/81中。具體規(guī)定了節(jié)點命名和地址分配、聲明等。為了能夠在J1939網(wǎng)絡(luò)上進行通信，每個CA都必須有一個地址以及一個和它聯(lián)系在一起的名字。每個CA在開始正常的網(wǎng)絡(luò)通信之前，必須有一個名稱并且成功聲明了一個地址。地址聲明消息包括地址和名字，用于把名字和網(wǎng)絡(luò)中的某個地址關(guān)聯(lián)在一起。有時在一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)ECU過多時，在有拖車等時需要組成多網(wǎng)段系統(tǒng)。CA的名字是一個64位的標(biāo)識符，由10個域組成。其中有6個域的值由標(biāo)委會分配給出。其余4個域的值或者根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特性以及汽車架構(gòu)給出，或者由生產(chǎn)廠商直接給出。與CA相關(guān)聯(lián)的名字則主要用于識別網(wǎng)絡(luò)上的CA及其功能。利用網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議中的地址管理程序，在單個源地址與CA的名字之間建立聯(lián)系，并在網(wǎng)絡(luò)上進行聲明。聲明地址成功，然后才能向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，如果CA按地址聲明過程失敗，必須設(shè)置其地址為空地址254，且向總線發(fā)送地址聲明失敗的消息。當(dāng)多個CA試圖聲明同一個地址時，CA名字用于仲裁，這樣網(wǎng)絡(luò)上的每個CA依次得到一個唯一的地址，名字用于表示CA功能描述，如發(fā)動機1、發(fā)動機2、變速箱1、ABS1和用于地址仲裁。ECU制造商和網(wǎng)絡(luò)集成商必須保證所有在一個網(wǎng)絡(luò)上傳輸消息CA的名字唯一。圖重型卡車發(fā)動機ECU的名字示例圖CA名字格式CA的地址8位。以下控制器或模塊地址均按照SAEJ1939-2010標(biāo)準定義：CanID，PGN和PDU區(qū)別：例：玉柴等發(fā)動機廠家的報文用CanID標(biāo)識符EEC1Tx0x0CF00400EEC2Tx0x0CF00300。。。EngRetCfgPACKTx0x18EBFF0FEngTempTx0x18FEEE00其中：0x

18FEEE000x–16進制18–11000（優(yōu)先級6）；0C-01100（優(yōu)先級3）；1C-11100（優(yōu)先級7）FEEE-1111111011101110（65262），PGN00-CA地址４．J1939故障診斷應(yīng)用層簡介

現(xiàn)在的汽車維修檢測依靠計算機進行，利用軟件進行判斷。在電子控制系統(tǒng)設(shè)計階段，也必須增設(shè)系統(tǒng)故障自診斷功能和故障運行功能。大多數(shù)發(fā)動機ECU都有自診斷能力。每種類型的故障或錯誤都指定一個故障代碼DTC。自診斷功能利用ECU監(jiān)視電子控制系統(tǒng)各部分，發(fā)現(xiàn)故障后啟動故障處理程序。以保證發(fā)動機在有故障的情況下可以繼續(xù)行駛，而且還可以通過診斷消息DM向駕駛員和維修人員提供故障情況。車輛故障診斷結(jié)果通過儀表板燈閃爍代碼或直接顯示在CRT屏幕上。廠家和售后服務(wù)公司都有用來監(jiān)測車輛電子元件的診斷儀器。1）診斷故障代碼DTC（DiagnosticTroubleCode）J1939故障診斷主要采用診斷故障代碼DTC來識別故障類型、相關(guān)故障模式以及它的發(fā)生次數(shù)。診斷故障代碼DTC由4個獨立部分構(gòu)成，共用4個字節(jié)：-可疑參數(shù)的編號(SPN)19位；-故障模式標(biāo)志(FMI)5位：該

FMI定義了為SPN所識別的子系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的故障類型；-發(fā)生次數(shù)(OC)7位；-可疑參數(shù)編號的轉(zhuǎn)化方式(CM)1位，這個指與SPN發(fā)送的格式有關(guān)。這些獨立的參數(shù)不是一個單獨的數(shù)，而是一組4個字節(jié)的描述故障的信息。診斷測試工具通過控制模塊地址和名字，確定診斷信息的來源。故障模式標(biāo)志(FMI)的說明：FMI=0：數(shù)據(jù)有效但超出了正常操作的范圍－最嚴重水平FMI=1：數(shù)據(jù)有效但低于正常操作的范圍－最嚴重水平FMI=2：數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，斷斷續(xù)續(xù)的，或者不正確FMI=3：電壓高于正常值，或者與高端短路FMI=4：電壓低于正常值，或者與低端短路FMI=5：電流低于正常值或斷路FMI=6：電流高于正常值或電路接地FMI=7：機械系統(tǒng)不響應(yīng)或者無法調(diào)節(jié)FMI=8：非正常的頻率或脈沖寬度或是周期診斷故障代碼DTC實例：已知：油壓預(yù)濾器參數(shù)，可疑參數(shù)數(shù)值（SPN＝1208）

FMI＝3

（電壓高于正常值，或與高端短路）發(fā)生次數(shù)OC＝10

CM=0，表示所有的診斷故障代碼域以英特爾格式傳送（最小有效字節(jié)優(yōu)先）十進制十六進制二進制SPN12084B81600000000100101110002FMI3316000112OC10A1600010102（7位）CM02DTC實際傳輸次序：2）診斷信息DM（DiagnosticMessage）診斷信息DM即診斷參數(shù)組。其定義,格式應(yīng)滿足

OBDⅡ的要求下面是常用的DM系列：DM1診斷信息1，當(dāng)前故障碼（PGN=65226）DM2診斷信息2，歷史故障碼（PGN=65227）DM3診斷信息3，歷史故障碼的清除/復(fù)位（PGN=。。。）DM4診斷信息4，停幀參量DM5診斷信息5，診斷準備就緒DM6診斷信息6，持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)測試結(jié)果DM7診斷信息7，指令非持續(xù)監(jiān)視測試DM8診斷信息8，非持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)測試結(jié)果DM9診斷信息9，氧傳感器測試結(jié)果DM10診斷信息10，非持續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)測試標(biāo)志符識別支持DM11診斷信息11，當(dāng)前故障碼清除／復(fù)位DM12診斷信息12，發(fā)送排放相關(guān)的當(dāng)前故障碼……診斷信息DM1:當(dāng)前故障碼（PGN=65226）數(shù)據(jù)長度：可變數(shù)據(jù)頁面：

0PDU格式：

254PDU指定：

202默認優(yōu)先值：

6、、參數(shù)組數(shù)編號：

65226（00FECA16）8～6位

SPN，有效位中的高3位（最高有效位為第8位）5～1位

FMI(最高有效位為第5位)字節(jié)：

38位可疑參數(shù)編號的轉(zhuǎn)化方式7～1位發(fā)生次數(shù)字節(jié)4字節(jié)：

68～1位

SPN，

SPN的第2個字節(jié)（最高有效位為第8位）8～7位故障指示燈狀態(tài)6～5位紅色停止燈狀態(tài)4～3位琥珀色警告燈狀態(tài)2～1位保護燈狀態(tài)字節(jié)：

1字節(jié)：

2（預(yù)留）字節(jié)：

58～1位

SPNSPN的低8位有效位（最高有效位為第8位）（參考：OBD故障碼SAE－J2012）第三位表示出現(xiàn)故障的部件信息：Px1xx燃油計量和空氣計量Px2xx燃油計量和空氣計量Px3xx點火系統(tǒng)Px4xx輔助廢氣調(diào)節(jié)Px5xx車速調(diào)節(jié)（GAR）和怠速調(diào)節(jié)Px6xx計算機信號和輸出信號Px7xx變速器第四和第五位表示部件/系統(tǒng)的標(biāo)識代碼。第一位是個字母，它表示系統(tǒng)類型：Pxxxx動力系統(tǒng)Bxxxx車身Cxxxx底盤Uxxxx網(wǎng)路連接相關(guān)的系統(tǒng)OBDII上只使用P-代碼。第二位表示標(biāo)準代碼：P0xxx由SAE統(tǒng)一制定的故障碼。P1xxx由廠家各自制定的與廢氣排放有關(guān)的故障代碼，這些代碼必須報送給立法者。車輛網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)具有SAEJ1939/CAN接口的ECU產(chǎn)品接上儀表板連成網(wǎng)絡(luò)，為了使自定義ECU對外通信盡量不影響ECU產(chǎn)品間的通信，整個網(wǎng)絡(luò)分為兩個網(wǎng)段（必要時可合并成一個網(wǎng)段）。網(wǎng)段A包含信息交互ECU，發(fā)動機ECU，變速器及其緩速器ECU，ABSECU；網(wǎng)段B包括信息交互ECU，發(fā)動機外圍、I橋及II橋ECU，分動器ECU，III橋及IV橋ECU。信息交互ECU用兩個CAN端口分別與兩個網(wǎng)段連接，具有報文轉(zhuǎn)發(fā)功能。在多軸（橋）驅(qū)動的汽車，為了將輸出的動力分配給各驅(qū)動橋設(shè)有分動器共享-利用網(wǎng)絡(luò)進行懸架控制