SAE J1939 协议解析及工程实践

SAE J1939 协议解析及工程实践

前言

在网络通信设计领域，CAN(FD)和Ethernet等协议被广泛讨论，但J1939协议在商用车及工程机械行业却有着广泛应用。此外，在乘用车领域，如GB/T 27930标准中也规定了充电桩与BMS之间的通信协议采用SAE J1939。本文将重点介绍J1939协议的原理及其在工程实践中的应用。

J1939 协议介绍

整个SAE J1939协议组包含多个标准，涵盖了数据链路层、网络层、应用层等多个层面。虽然标准内容丰富，但本文主要从项目使用的角度，介绍数据链路层（J1939-21）和应用层（J1939-71）的相关内容。

帧结构

J1939采用29位ID的扩展帧格式，其帧结构与CAN标准帧类似，主要区别在于ID域。具体包括帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、ACK场和帧结束。

协议数据单元（PDU）

每个CAN数据帧报文包含一个协议数据单元（PDU），根据J1939-21的定义，PDU由7个部分组成：优先级（P）、扩展数据页（EDP）、数据页（DP）、PDU格式（PF）、PDU特定（PS）、源地址（SA）和数据域（Data）。具体结构如下：

• 优先级（P）：包含3位，用于优化报文传输延迟，取值范围为0（最高）到7（最低）。
• 扩展数据页（EDP）：预留位，当前均设置为0。
• 数据页（DP）：用于分配参数组编号（PGN），当前所有报文的DP都设置为0。
• PDU格式（PF）：8位，确定报文的PDU格式。当PF值在0239（0x00-0xEF）时为PDU1格式，当PF值在240255（0xF0-0xFF）时为PDU2格式。
• PDU特定（PS）：8位，内容取决于PF的取值。在PDU1格式中表示目标地址，在PDU2格式中表示组扩展（GE）。
• 组扩展（GE）：当PF为PDU2格式时，PS即为GE，与PF的低四位一起提供每个数据页4096个参数组。
• 目标地址（DA）：用于指定单播报文的目标地址，DA为FF时为全局目标地址。
• 源地址（SA）：在网络中唯一标识一个设备，J1939-71中对商用车常用控制器的源地址进行了定义。
• 数据域（Data）：数据域长度可超过8个字节，通过传输协议的连接管理能力实现多包参数组的通信。

参数组编号（PGN）

PGN是J1939标准中的唯一帧标识符，由扩展数据页、数据页、PDU格式和PDU特定字段值组成，用于唯一标识一帧报文。

可疑参数编号（SPN）

SPN是SAE分配给参数组（PGN）中特定参数的编号，用于标识数据字节中的CAN信号。SPN是一个19位数字，范围从0到524287，其中520192到524287保留给专有参数。

J1939协议在GB/T 27930中的应用

GB/T 27930标准规定了充电机与BMS之间的通信物理层采用SAE J1939-11，数据链路层选用PDU1格式。标准中还规定了充电机和BMS的源地址，并要求这些地址固定在ECU的程序代码中。通过PGN的定义，可以得到对应的报文ID，因此标准中没有直接提及报文ID，而是使用PGN进行描述。

J1939 DBC编辑

在编辑GB/T 27930的DBC文件时，如果使用支持J1939配置的CANoe，可以在CAN DB++Editor中直接编辑PGN、Source、Priority、Destination等参数，自动生成报文ID。

J1939多帧传输

对于数据长度超过8个字节的报文，需要使用SAE J1939-21的传输协议。传输协议的功能分为两个部分：消息的拆包与重组，以及连接管理。

• 消息拆包与重组：大于8字节的数据需要被拆分为多个数据包，接收者负责按编号将多个数据包重组为长数据。
• 连接管理：包含建立连接、数据传输和连接关闭三个过程。

J1939 DTC

DM1报文格式

商用车的诊断机制中，很多控制器使用SAE J1939-73 DM1报文格式发送故障码。DM1报文的PGN固定为00FECA16，其格式定义如下：

• 当节点存在多个DTC时，需要使用SAE J1939-21的传输协议进行多帧传输。首先发送一条广播公告消息（BAM），然后使用PGN=60160发送相关数据。

CANoe.J1939 DTC Monitor

CANoe.J1939提供了DTC Monitor工具，可以简单地监控诊断协议，显示/查询故障码，同时显示MIL灯、DTC历史、激活DTC、DTC、冻结帧、设置等信息。

AUTOSAR架构中J1939协议栈

在AUTOSAR CP架构中，与J1939相关的模块包括J1939DCM、J1939 Nm、J1939 Rm和J1939 TP。

诊断通信管理（DCM）

负责处理来自外部测试人员或OBD系统的诊断请求，转发请求并封装响应消息（DTC、状态信息）。

J1939网络管理

在网络管理中，J1939通过PGN=0xEE00进行地址声明，当ECU启动时会发出此声明表示自己期待分配某一地址。

J1939请求管理（RM）

用于管理请求消息的接收与发送，将请求数据转发给其他模块处理，以及对应确认消息的回复。

总结

J1939协议在商用车和工程机械行业具有广泛应用，通过标准化的PGN和SPN降低了开发工作量和成本，提高了零件的通用化率。然而，由于通信内容是明文公开的，带来了信息安全风险。在智能商用车架构中，J1939协议主要应用于底盘域和动力域，在座舱域、车身域、智驾域和网联域等已较少使用。但作为商用车企业的通信设计人员，仍需深入研究J1939协议。

文章来源：汽车电子与软件