车用总线技术 | J1939协议实用指南与J1939数据记录方案

2024-06-07 16:52:19

“没错，这是一份SAE J1939协议的简单、实用指南。”—虹科

开篇：在这篇介绍中，我们介绍了J1939协议的基本知识，其中包括PGN和SPN。因为这是一篇偏向应用的简介，所以您还将会学习到如何通过DBC文件解码J1939数据、如何记录J1939、典型的应用案例和实用技巧。下面，来了解下这份简单易懂的J1939介绍吧~

什么是J1939？

J1939简介

简而言之，SAE J1939其实是一套标准，重型车辆ECU间就是按照这套标准在CAN总线上进行通信的。当今大多数车辆都通过CAN（Controller Area Network）进行ECU通信。但是，CAN总线仅仅只是提供了通信的基础（就像是电话），但是没有提供对话的“语言”来进行更复杂的操作。在大多数大型车辆中，这个“语言”就是汽车工程师协会（SAE）定义的SAE J1939标准。那用专业点术语来解释就是：基于CAN这个“物理层”，J1939提供了一个高层协议HLP（higher layer protocol）。

J1939属于“更高层的协议”
J1939是基于CAN的，CAN提供了基本的“物理层”和“数据链路层”，这是OSI模型的最低层。
基本上CAN只允许在CAN总线上进行简单通信，但仅此而已。而J1939作为高层协议，可以实现更复杂的通信。
一个更高层的协议使大型、复杂网络之间进行通信成为可能。例如，SAE J1939协议规定了如何处理“ 多包数据报文 ”，即，当需要传输大于8字节的数据时。同样地，它规定了如何将数据解析为人类可读的数据。它通过提供一系列标准来实现这一点。J1939-71这份文档，其中详细说明了如何将大量已经在众多制造商中使用的J1939报文转换为所需的人类可读数据信息（有关更多信息，请参见下文）。

还有许多其他基于CAN的更高层协议，例如CANopen，DeviceNet，UDS服务。尽管它们都可以由制造商进行扩展，但它们通常在各自的行业代表一种一定程度的标准。
相比之下，乘用车的车企都会用自定标准。换句话说，您可以使用相同的J1939.dbc文件来解析来自不同车企的两辆卡车发动机转速，但是您不能使用标致207车型的.dbc文件去解析Audi A4车型的数据。

J1939是一种广泛应用于重型车辆以及电动充电桩的标准
简单来说，就是J1939将ECU之间的通信标准化了，或者换句话说：J1939为不同的供应商提供了一种通用的语言。相比之下，乘用车会使用OEM自定的专用协议。

J1939的历史

1994年：发布了第一批文档（J1939-11，J1939-21，J1939-31）
2000年：发布了初始最高级的文档
2000年：CAN正式被纳入J1939标准
2001年：J1939开始取代以前的SAE J1708 / J1587标准

J1939应用案例

J1939最广为人知的其中一个应用是在重型车辆（例如客车或货车）上的应用（不过，现在在一些基础工业领域还会用到SAE J1939的衍生标准，如：ISO 11783，MilCAN，NMEA 2000，FMS）：

林业机械：伐木机、运材车、集木机等
矿用车辆：推土机、挖掘机等
军用车辆：坦克、运输车辆等
农用车辆：拖拉机、收割机等
建筑领域：液压移动升降机、起重机等
救援机械：救护车、消防车等
其他：船、电动汽车、发电设备以及泵类机械等

未来的J1939

随着重型车辆的远程信息处理技术兴起，J1939在车联网市场中扮演的角色越来越重要。因此， J1939 IoT（物联网）记录器的安全性越来越受到重视。同时，OEM将会从传统CAN逐渐转向CAN FD ，向具有可变数据域速率的J1939协议过渡。
此外，在电动汽车的充电桩领域同样以J1939作为应用层标准。比如国标GBT27930-2015电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议中，定义了J1939应用层的通信参数组等等。随着电动汽车的稳步发展，J1939应用的节点将会越来越多。

“到2020年，车载连接（硬件以及应用可以为驾驶员或者车队带来了各种各样的新功能）的市场预计将达到1200亿欧元。”
源自：Boston Consulting Group, Connected Vehicles and the Road to Revenue

J1939的关键特征

J1939协议典型的特征

250Kb/s的比特率和29位的扩展ID

J1939的比特率通常为250Kb/s（最近还能支持500Kb/s），并且拥有18位扩展标识符共29位标识符（CAN 2.0B）

广播与请求

大多数J1939报文都是以广播的形式在CAN总线上进行传播，而一些数据只能通过请求方式从CAN总线来获得数据

PGN和SPN

J1939报文中，使用18位的PGN（参数组编号，Parameter Group Numbers）作为一组参数的标号，参数组内有一个或者多个具体的参数；而参数组中的每个具体的参数在J1939中被19位的SPN（怀疑参数编号，Suspect Parameter Numbers ）标识出来

多字节数的变量和多包报文

多字节数变量先发送有效字节的最低位（Intel字节顺序）。根据传输协议支持最大1785字节的PGN

其他J1939特性

以下是J1939协议的一组其他特征：

保留的PGN： J1939包含大量的标准PGN，但PGN的 00FF00至00FFFF是保留的
特殊的PGN：数据字节为0xFF（255）反映N / A数据，而0xFE（254）反映错误

拓展：PGN（参数组编号）

J1939中的PGN包括扩展帧29位CAN ID中的18位。PGN是J1939标准中唯一的帧标识符（J1939-71文档中列出了PGN以及SPN，您可以查看下这份文件）。

示例：J1939 PGN 61444（EEC1）
假设您记录了一条J1939报文，其ID为0CF00401。在这里，PGN从第9位开始，长度为18（从索引1开始（indexed from 1））。PGN就是0F004或用十进制来表示就是61444。在SAE J1939-71文档中进行查找，发现它是“ 发动机电子控制器1-EEC1 ”。另外，该文件里面包含了PGN的详细信息，包括优先级、传输速率和相关SPN，详见上图。
在这个PGN中，有七个SPN（例如，发动机转速，RPM），可以在J1939-71文档中查询每个SPN的详细信息。

拆分J1939 PGN
上面只是简单的说明，因为J1939的29位标识符可以进一步细分。CAN ID中包括优先级（3位），PGN（18位）和源地址（8位）。
此外，PGN还可以分为四个部分：保留位（1位），数据页位（1位），PDU格式域（8位）和组扩展域（8位）。
如果想了解更多，我们这有一个非常受欢迎的在线转换器，可用于将CAN ID转换为PGN，并查看PGN子组件计算背后的公式，可以私信获取在线转换器。如果您对J1939 DBC文件感兴趣的话，这可能会让您更容易去理解并且还有可能帮到您。

拓展：SPN（怀疑参数编号）

J1939中的SPN作为数据库中包含的CAN信号(参数)的标识符，SPN按照PGN来分组，可以根据其位起始位置、位长度、精度（比例）、偏移量和单位（将SPN数据提取和缩放为物理值所需的信息或者量）来描述。

示例：解析J1939中SPN 190（发动机转速）
假设您记录了原始的J1939报文，如下所示：

CAN ID	数据字节
0CF00401	FF FF FF 68 13 FF FF FF

通过将CAN ID转换为J1939的PGN，您可以知道这是之前提到的PGN 61444。从J1939-71文档中，您可以查到该PGN中的SPN之一是发动机转速（SPN 190），其详细信息如表所示。
使用这些详细信息，可以提取“发动机转速”物理值数据，可用于绘制图像等。因此，请您注意PGN信息中位于第4和5字节中相关的数据，即十六进制数据字节中的68和13。将十六进制的1368（Intel字节顺序）转换成十进制，即4968。为了得到RPM，我们使用偏移量0和0.125 RPM /位的精度对此值进行缩放。最终得到的物理值(即缩放工程值)是621 RPM。
注意上面的一些数据字节是FF或是255，即不可用。虽然PGN理论上是可以支持在此范围内的SPN，但是填充了FF就意味着这特定应用程序不支持这些参数。

SPN 190 发动机转速
实际的发动机转速，是通过最小曲轴角度720度除以气缸的数量来计算的

PGN	61444
SPN	190
位开始	24
位长度	16
精度	0.125 rpm /位
偏移量	0
最小值	0
最大值	8031.875

示例：J1939 DBC文件
实际上，您不需要通过查PDF的方式去解析J1939数据的内容，这个信息可以存储在一个CAN数据库文件(.dbc文件)中。
J1939 DBC文件可用于解码大多数重型车辆上的数据。原始的J1939数据可以用CAN总线数据记录器记录，并在支持DBC转换的CAN软件工具（例如PCAN-Explorer6软件）中进行分析。
这通常能解析市面上40-60%车辆的数据，其他的则是OEM专用的数据，这里就需要逆向工程了。

高阶：J1939的请求和多包报文

J1939 请求报文
J1939协议支持各种高级操作，例如请求、多包报文和多路复用：
大多数J1939报文以广播的形式在CAN总线上传播，但有些信息是需要请求的（例如一些J1939诊断故障代码）。这是通过“请求报文”(PGN 59904)来实现的，这是仅有3个数据字节的J1939报文。它的优先级为6，传输速率可变，可以作为全局或特定地址的请求发送。数据字节从第1位到第三位中，应包含请求的PGN（Intel字节顺序），这里的J1939请求报文中包含了诊断信息（DM）。对于OBD2来说，您可以利用我们CANedge中的传输列表来建立SAE J1939的请求报文。

J1939 多包信息
PGN和SPN的示例中是基于8个数据字节的J1939报文，这是大多数报文的大小。但是还有其他两种类型的报文：3个数据字节的请求报文和数据字节可变的报文。后者的数据字节超出了CAN总线格式通常的8字节限制。此类消息称为J1939的多帧或多包报文。J1939协议规定了如何拆解、传输和重组数据包的过程，这一过程被称为传输协议（cf. J1939-21），传输多包报文有两种方式：
1、连接管理（点对点传输）：适用于特定的设备
2、广播通知报文（使用全局地址）：适用于整个网络

简单来说，广播通知报文是基于发送ECU发送原始广播通知报文组来建立传输工作的。广播通知报文定义了多包PGN标识符以及要发送的数据字节和数据包的数量，数据包个数最多达255个。每个数据包中的第一个数据字节都用于存放序列号（1到255），然后后面跟7个数据字节。所以最大的传输数据字节数为7字节x 255 = 1785字节。最后的数据包中至少得包含一个字节的数据，后面没有用到的都会填充FF。在广播通知报文模式下，消息之间的间隔为50-200ms。最后，转换软件能将多条报文中的数据组合成为一个字符串，并根据多包报文中的PGN和SPN进行解析。

J1939卡车样本数据分析

下面我们会告诉你真正的J1939数据是什么样的。这是使用CANedge2从重型卡车上记录下来的“原始” J1939数据，而“物理值”是经PCAN-Explorer6软件的J1939 DBC解析插件解析后的输出。

示例：卡车J1939原始的数据（CSV）
用CANedge记录的数据会以一个标准化的二进制格式保存为.mdf4文件，可以通过我们的.mdf4文件转换器将其转换为任何文件格式（例如，转换为CSV，ASC，TRC等）。以下是原始J1939框架的CSV版本。请注意，CAN ID和数据字节均采用十六进制格式：

您可以在我们CANedge2的介绍文档中下载完整的原始J1939 .mdf4文件示例。该示例数据还包括一个示例J1939 DBC，以便您可以通过PCAN-Explorer6软件尝试解析J1939报文。

示例：卡车J1939解码后物理值数据（CSV）
一旦J1939原始数据被解码并导出，结果就是如油温，发动机转速，GPS，燃油率和速度之类带有时间戳的参数,想了解更多J1939记录数据示例，可以联系虹科详细了解~

CANedge J1939记录仪与应用示例

该CANedge记录仪能让您轻松记录J1939数据到8-32 GB的SD卡。只需将其连接到重型车辆上即可开始记录，并可以通过PCAN-Explorer6软件和我们的J1939 DBC来解码数据。

J1939数据记录—应用示例

重型车队远程信息处理

来自卡车，公共汽车，拖拉机等的J1939数据可用于车队管理，以降低成本或提高安全性

实时诊断

通过将解码后的J1939数据传到PC端，技术人员可以实时分析和诊断车辆

预见性维护

可以通过云端的IoT CAN记录仪监控车辆，基于J1939的数据预测并避免故障

重型车辆的黑匣子

CAN记录仪可以用作重型车辆的“黑匣子”，为纠纷或诊断等提供数据

电动汽车充电桩数据监测

您是否有J1939数据想解析？请联系虹科，我们应该能帮到您~

J1939数据记录的6个实用技巧

我们许多终端用户会在现场进行J1939的记录，下面，我们会分享6条实用的记录技巧：

1. J1939记录仪和J1939数据接口

具有SD卡的独立J1939数据记录仪非常适合记录车辆数周或数月的数据。WiFi版的J1939记录仪还能支持远程信息处理。如果用J1939 USB-PC接口就得PC端实时传输来自CAN总线的数据。WiFi版的J1939记录仪对于诊断或分析数据就显得尤为方便了。
CLX000支持两种操作模式，CANedge2会非常适合远程信息处理。

2. 连接器与非接触式读取

要将CAN分析仪接到用J1939通信的机器（例如卡车）上时，通常可以使用9针J1939连接器。我们能给您提供DB9-J1939连接器，该连接器适合许多重型车辆中使用的9针deutsch连接器。或是，您可能想通过CANCrocodile将CAN记录仪连接到CAN总线上。这些方法都能在不干扰CAN总线传输的基础上记录数据，不需要断开任何CAN线。

3. WiFi与蜂窝（3G / 4G）数据上传

对于车队管理和远程信息处理，您通常会通过WiFi或3G / 4G上传数据。利用CANedge2，您可以通过连接WiFi来传输数据，WiFi可以是由WLAN路由器或3G / 4G热点产生的。如果您需要行驶中卡车的数据，那么可以安装CANedge2并用其为一个3G / 4G USB热点供电。这样做的好处是您可以不间断访问该设备，除非设备没有了信号。但是，如果在只需要定期上传数据，那就可以在车辆去特定区域（例如车库，维修店等）时通过WLAN上传数据，从而降低了数据传输成本。

4.软件选择和1939 DBC文件

在记录或传输J1939数据时，用于后处理的软件是关键。特别是，该软件应支持基于J1939 DBC解析，这样可以轻松获得人类可读的数据。我们的PCAN-Explorer6软件就支持此功能，并能实时进行DBC解析。此外，在与SAE合作的基础下，我们还能提供J1939 DBC文件的下载。

5. 考虑对请求PGN的需要

一些J1939 PGN需要请求才能提供，这意味着您需要通过不断地询问 CAN总线来记录这些信息。CANedge和CLX000能够发送自定义的CAN报文，这些报文可用于定期发送PGN请求。但是，如果您将记录仪设置成“只听模式”（silent mode）的话则不能将此功能使能（即，记录仪如果通过CANCrocodile等连接，这项功能也是不能使能的）。

6. 过滤、压缩和加密数据

为了优化J1939数据的记录，许多高级配置可能会对此有所帮助。特别是，CANedge的高级过滤器和采样率选项有助于优化记录的数据量，这是最大限度地减少蜂窝带宽使用的关键。其他选项包括只听模式和循环记录，后者能使记录仪始终能够对最新的数据进行优先级排序（在黑匣子记录中很有用）。

由于J1939是标准化的，因此在“存储”（at rest）（在SD卡上）和“传输”（在上传过程中）中加密数据是至关重要。这样就能减少您在数据处理过程面临的各种安全风险，包括面临 GDPR / CCPA的罚款、机密信息的泄露和数据完整性的破坏。更多有关保护J1939数据记录的详细信息，请与虹科联系。

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