CAN总线及SAEJ1939在矿用自卸车电气控制系统中的应用.doc

CAN总线及SAE J1939在矿用自卸车电气控制系统中的应用文 / 刘强汪仁志张小锋（内蒙古北方重汽公司技术中心）图 1CAN 网络典型的结构2012-07-13#2012-07-13#2012-07-13#1引言为了改善现代车辆的动力性、经济性和排放性，需要 对发动机和变速箱的特性同时进行动态的匹配修正，实现 发动机和变速箱的一体化控制。由于发动机和变速箱往往 是由各自的控制系统控制并由不同的厂商生产，从而在实 践中产生了如何在发动机和变速箱的电控系统之间通过标 准化的通信协议实现数据共享的问题。CAN总成和基于它 的车辆网络通信标准(以SAE J1939标准为代表)的出现为我 们提供了解决上述问题的途径，这种网络通信技术在现代 车辆上的广泛应用，使得动力传动一体化技术走上了网络 化、集成化和模块化的道路。计而被广泛应用于汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域。 另外，CAN总线传输速率快，直接通讯距离可达10km（速率为5kbps以下），最高速率可达1Mbp（s 通讯距离最长为40m）。 CAN网络的结构如图1所示，从图中我们可以看出，应用CAN网络以后，矿车电气系统的线束将大大减少，同时也将大大减少故障率，也为故障查询和排除带来很大的方便。2 概述2.1 CANBUS 简介控制器局域网CAN（Controller Area Network）是国际 上应用最广泛的现场总线之一。CAN最初被设计作为汽车环境中的控制总线，在车载各电子控制装置（ECU）之间交 换信息，形成汽车电子控制网络。如在发动机管理系统、 变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN 控制装置。2.2SAE J1939 协议简介由卡车与公共汽车电气电子委员会控制与通信网络分 委员开发，并由SAE(Society of Automotive Engineer， 美国汽车工程师协会)推荐的SAE J1939是一个规范汽车内2012-07C-A1N3总线#具#有#实#时#性#强#、#传#输#距#离#远#、#抗#电磁2干0扰1能2-0部7网-络1的3标#准#协#议，#通#信#速#率#2最0高1可2达-到02570k-bp1s。3它#利#用#力强、成本低等优点，以其高性能、高可靠性和独立的设 多路复用技术（Multiplexing）为车辆上各传感器、执行器和【摘要】本文介绍了现在矿车行业应用最为广泛的CAN总线和SAE J1939 协议,并根据现在大型矿用自卸车控制系统中的实际应用,说明了系统各节点 之间基于CAN总线的高速数据共享,并为进一步利用CAN总线提出了展望。图 2矿用自卸车通信系统结构图图 3发动机控制节点控制结构示例图图 4自动变速箱控制节点控制结构图控制器提供建立在CAN总线基础上的标准化的高速网络连接，在车辆电子装置之间实现高速数据共享，有效减少电 子线束的数量，利于提高车辆电子控制系统的灵活性、可 靠性、可维修性和标准化程序。目前J1939标准已经成为世界各大车辆部件制造商均支 持的重要通信标准，在大客车、载货汽车、特种车辆、农 业装备和工程机械中得到了广泛的应用。因为J1939具备如 下特点：实时性好 根据重要程度, J1939协议可以定义各个 子系统的优先级, 这些都利于满足车辆的实时性要求；具有容错性能 该性能保证了数据传输的可靠性；灵活性高 J1939可以将不同类型的子系统有机地融 合在一起, 易于实现车辆电子单元的集成化和模块化；通用性强 J1939协议具有通用的故障诊断接口诊断 协议, 满足了不同控制系统的要求；子系统相对独立 每个子系统可以独立工作,使得某 个子系统出现故障时并不影响其他系统的正常工作；J1939协议还可以实现车辆状态共享。口向变速器的电控系统以CAN扩展数据帧的形式发送其需要的参数并接收其发放来的数据帧。发动机控制节点控制 结构示例见图3 。自动变速器控制节点：这是自动变速箱的ECU ，它可以采集传动箱的输入轴转速、输出轴转速、变扭器转速、 传动箱油压等，同时还可以通过CAN 总线发送传动箱档位、工作模式、各电磁阀通断情况、故障码等。其结构见 图4 所示。3矿用自卸车电气控制系统3.1通信控制系统的组成部分结构在发动机和变速箱的控制ECU之间建立基于SAE J1939 标准的通信网络，使得发动机和变速箱的电控系统可以按 照统一的标准共享控制参数。这一网络由发动机控制节 点、自动变速箱控制区节点、总线监控节点、总线和总线 终端电阻组成，如图2 所示。各节点通过CAN 总线有机地 联结在一起，可以作为一个整体来控制并实现数据共享。 按照SAE J1939/11子标准的要求，本网络3个节点的电控 系统的CAN 控制器和CAN 接口硬件及通信软件均应满足 CAN2.0B标准，连接线采用屏蔽双绞线，网络通信速率设 为250kb/s。总线及总线终端电阻：根据SAE J1939/11标准中的规定，网络总线采用屏蔽双绞线、并以终端电阻的方式来保 护总线的平衡。总线两端的终端电阻是一个连接在总线上 的两根数据线之间的120电阻，用于表示总线到此为止。 同时，如果需要在网络上添加节点只需要将电阻取下，用 三连接器和屏蔽双绞线将新添入的节点接入网络，再用电 阻将总线封闭即可，非常方便。总线监控节点：它的作用是用来对总线进行监控的。 它的使用方法也很多，如：在驾驶室里安装一个九芯的插头，这样就可以方便地利用笔记本电脑来对CAN总线进行 分析了。另外，也可以在这里向CAN总线增加节点，如增 加自重称重系统等。仪表节点：可以使用带CAN口的仪表来挂接到CAN网络上，可以方便地将CAN总线里的数据显示出来。值得一 值的是，可以利用CAN 总线，开发矿用自卸车的组合仪 表，为矿车的使用和维护带来很大的方便，同时也带来很 大的社会效益和经济效益。3.2 通过网络进行数据共享3.2.1 SAE J1939标准通信帧发动机和变速箱之间共享的数据是以SAE J1939通信 标准的报文格式（CAN2.0B协议中的扩展帧格式）封装的， 发送参数报文的节点以广播的方式向网络发送报文，这使 得总线上的其他节点均可以接收到该报文。数据报文的每下面就各部分的组成结构和功能逐一说明。发动机控制节点：本节点是电控发动的ECM，它直接 控制发动机的电子执行设备，可以实现对燃油喷射的控制从而进一步实现对发动机转矩和转速的控制。此外，ECM处理与其直接相连的传感器传送的各参数值，通过CAN接20 重型汽车HEAVY TRUCK 2011.2一帧共有29 位，其中第1 至第3 位为优先权位（F ），用 于总线冲突仲裁；第4 位为保留位（R），置0；第5位为数据页位（DP ），用于表示 扩展参数组，一般为0 ；第6至第13 位为协议数据单元 格式位（PF ），用于确定哪 一个参数组号分配给本帧 的数据场；第14 至第21 位为协议数据单元特性位 （PS ），用于确定本帧是对 特定目标发送还是广播式 发送，一般为广播式发 送；第22 至第29 位为源地 址位（SA ）。参数组号是一 个24 位的值，用于将参数 分类，由保留位、数据页 位、协议数据单元格式位 （8 位）和协议数据单元特性 位（8 位）组成。除标识位和 数据场位之外的其他各位 的定义与CAN 协议相同。 按照标准规定，所有为未 定义的位均应置为1 。3.2.2 共享的参数SAE J1939标准中针对 动力传动系统定义了许多 控制参数，所有的参数都 可以在表1的J1939-71文件 中查得，并且可以从中找 到对应的J1939报文的解码 规则。4展望随着科技的发展，社 会及客户对矿车的要求也越来越高了。在激烈的市场竞争之下，矿车生产厂家也必须满足国际和国家的相关标准， 同时也必须在成本上做工夫，也只有这样才能够赢得市 场。CAN总线是现在矿车上最流行的现场总线，除了文中 介绍的控制系统中的应用外，本人再提出几点展望。（1）增加CAN总线节点，增加自动称重系统。它可以从 CAN总线上提取共享数据，制作一套性能完善的系统。这 种系统已经在我们的矿车上得到应用了。（2）增加CAN总线节点，自行开发数字组合仪表。这将 为使用和维护带来很大的帮助，同时也将大大减少成本投入。这将是一个发展趋势。（3）开发功能完善的CAN总线分析软件。这样只要有一 个笔记本电脑就可以在驾驶室完全地监控CAN总线了，也 就是就用一个电脑就可以完全地掌控整个矿车的信息了。 这个软件将对矿车生产厂家及客户带来很大的经济效益， 减少停车和维修时间。总之，随着科技的进一步提高，大型矿用自卸车的控 制系统的电子化程序也会得到进一步的提高。由于CAN总 线具备优异的性能，它必将在矿车上得到广泛的应用。参考文献略。2011.2 HEAVY TRUCK重型汽车 21美国纽约时报报道:中国出口依靠不稳定的卡车运输体系多年来，中国出口实力的刺激因素是高效率的工厂、低成本的劳动力以及能把大量玩 具、纺织品、电子产品和其他商品运到世界每个角落的集装箱船。但是，在“中国制造”的链条中，有一个极其薄弱的环节。 如果要把这些商品从工厂运到中国的巨大海港, 往往要依靠独立的卡车运输公司。尽管卡车运输对中国庞大的出口体系至关重要，但政府显然忽视了其中的缺陷：分析人士 说, 这种把工厂商品运往海港的方式越来越混乱，缺乏效率，成本高昂。由于大工厂为节 约劳动力成本而开始迁往比较贫穷的内陆地区，未来的挑战可能甚至将更加严峻。在中国, 数千家小型卡车运输企业以压低价格的方式展开竞争。此外，他们还以危险 方式超载，贿赂公路检查人员，指望维持微薄的利润。而如今，由于全球油价导致燃料价 格猛涨，许多卡车运输业者说，他们快干不下去了。香港的中国物流专家马克米勒说，中国的卡车运输业是个“四分五裂、残酷竞争的 行业”，他说“: 大多数司机既是所有者，又是运营者。为了赚钱，他们装载的货物量超过 了卡车核准装载的货物量。这显然不是健全模式。”有些全球企业利用卡车把封好的航运集装箱从工厂运往码头, 有时还有保安护送。 但是，在大多数情况下，出口商品由小型卡车运输公司运到海港，而这些公司通常是物流公司雇用的。后者通过讨价还价的方式敲定尽可能低的运输价格。为了获取一点利 润，许多小型卡车运输公司会违法、行贿以逃避高额罚款并绕开运输规定，甚至强迫司机 在卡车里过夜，有时睡在不安全的停车场。中国的许多现代化公路要收取极高的过路费。政府围绕运输行业的许多环节设立了严 格规定。分析人士说, 这些规定使许多公司背负了高额的税费、保险费和政府收费。美国卡车运输业协会说，美国用卡车运输商品的成本约为每英里(约合1.61km)1.75美 元，这包括司机的工资、卡车的租赁费、保险、过路费和其他许多相关成本。相形之下，在中国的长江三角洲和珠江三角洲, 卡车运输成本为每英里2.5 3 美元。 这还要考虑到中国司机每小时的工资仅为25美分，而美国司机每小时的工资约为17美元。 腐败也是个大问题。中国卡车司机说, 公路和港口的检查人员定期索取好处。拒绝行 贿的司机可能会因为微不足道的违规行为而遭到重罚。有些地区甚至在运营非法收费站。 美国的富布赖特研究员蕾切尔卡茨在中国花费了一年时间与长途卡车司机在路上奔 波。她说，司机们经常遭到公路管理者的骚扰。她在成都接受电话采访时说“