SAE-J1939协议入门解析

文章目录

  • 前言
  • 一、SAE J1939物理层
  • 二、SAE J1939数据链路层
    • 1、帧结构
      • 1.1、帧起始（SOF）
      • 1.2、优先级（P）
      • 1.3、扩展数据页EDP（R）
      • 1.4、数据页（DP)
      • 1.5、替换远程请求Substitute Remote Request （SRR）
      • 1.6、标识符扩展位（IDE）
      • 1.7、PDU格式（PF）
      • 1.8、PDU特定域（PS）
      • 1.9、目标地址（DA）
      • 1.10、组扩展（GE）
      • 1.11、源地址（SA）
      • 1.12、远程传输请求位（Remote Transmission Request ，RTR）
      • 1.13、控制段
      • 1.14、CRC段
      • 1.15、ACK段
      • 1.16、帧结束
      • 1.17、参数组编号（PGN）
      • 1.18、怀疑参数编号（SPN）
    • 2、Protocol Data Unit (PDU) Formats 协议数据单元格式
      • 2.1、PDU1
      • 2.2、PDU2
      • 2.3、PDU总结
  • 三、举栗子
      • 3.1、选择DBC文件的报文
      • 3.2、按位解析
      • 3.3、查询文档
  • 总结

前言

最近刚接触重型卡车的项目，所使用的是J1939协议以及OSEK网络，于是就顺便记录些笔记分享出来，欢迎指点哈~

J1939协议是由美国汽车工程师协会（SAE） (SAE协会简介)定义的一组标准。
该标准主要用于卡车、公共汽车和移动液压等重型车辆。
在这里插入图片描述

物理层（J1939/11） 描述了针对客车的电气接口。
数据链路层（J1939/21） 描述了构建报文、访问总线以及诊断传送故障的规则。
应用层(J1939/71和J1939/73） 定义了在网络中传送的每条报文的具体数据，包括PGN以及SPN详情内容解释等。

在这里插入图片描述

话不多说，走你~

一、SAE J1939物理层

SAE J1939的物理层描述了电气接口和物理介质，没啥精髓。定义的内容包括：
1. 物理介质为屏蔽双绞线；
2. 传输速率为250Kbps；
3. 同一网络上最大子系统数为30个；
4. 最大传输线长度为40m；
5. 物理层还定义了数据的物理特性及总线的电气连接特性。

二、SAE J1939数据链路层

J1939协议的精髓全在这里，那就让我们展开叙述。

SAE J1939以CAN2.0B为基础，通过CAN总线进行数据通信。并且拥有18位扩展标识符共29位标识符（CAN 2.0B）；
它的数据链路层定义了信息帧的数据结构、编码规则，包括通信优先权、传输方式、通信要求、总线仲裁、错误检测及处理，
它负责将CAN扩展帧的29位标识符重新分组定义，使报文的标识符就能够描述报文的全部特征，包括目标地址、源地址等内容。

1、帧结构

“CAN 2.0B”包括两种消息格式的规范，标准帧和扩展帧。
“CAN 2.0B”的兼容性意味着通过使用不同的帧格式位码，保证二者能同时在同一网络中使用。

就此而言， SAE J1939也能够自适应这两种CAN数据帧格式。但是， SAE J1939只使用扩展帧格式全面定义了标准化的通信。所有标准帧格式消息都按照规则作为专用消息使用。因此， SAE J1939设备必须使用扩展帧格式。标准帧格式消息可以在网络中存在，但只能以规定的方式运行。
在这里插入图片描述

1.1、帧起始（SOF）

占1bit，SOF信号只有一个数据位，是一个显性电平（逻辑0），它用于通知各个节点将有数据传输，
其他节点通过帧起始信号的电平跳变沿来进行硬同步。
（这一点和CAN保持一致）

1.2、优先级（P）

占3bit，根据CAN2.0B 的仲裁机制,ID越小优先级越高，按照J1939协议的划分，优先级在整个ID的最前面，实际上依然控制着ID大小,即CAN报文的优先级。
只不过在J1939协议中优先级仅仅用于优化发送数据时的报文延迟，接收报文时则完全忽略优先级。 J1939中的优先级可以从最高的0(000b)到最低优先级7(111b)。
默认情况下控制类报文的优先级为3,其他报文的优先级为6。 当分配新的PGN或总线上流量改变时，允许提高或者降低优先级。

1.3、扩展数据页EDP（R）

占1bit，扩展数据页(EDP)联合数据页(DP)可以决定CAN报文帧中CAN ID的结构，目前为保留位，均设置为0。

1.4、数据页（DP)

占1bit，用于联合扩展数据页EDP来决定CAN ID结构，当EDP为0时，DP为0或者1分别表示第0页或者第1页PGN。如下图所示:
在这里插入图片描述

1.5、替换远程请求Substitute Remote Request （SRR）

占1bit，只存在于扩展帧格式，扩展帧中的SRR位为隐性位（隐性电平（逻辑1））

1.6、标识符扩展位（IDE）

占1bit，当IDE为0时，表示标准格式帧；当IDE为1时，表示扩展格式帧。
（这一点和CAN保持一致）

1.7、PDU格式（PF）

占8bit，PF用来确定PDU的格式，两种格式计算得到PGN的方式不同，我们在下面介绍这两种计算方式。

1.8、PDU特定域（PS）

占8bit，PS的定义取决于PF, 它可能表示目标地址( Destination Address, DA)，可能表示组扩展(Group Extension,GE),
如果PF < 0xF0则表示为DA，否则表示为GE。
在这里插入图片描述

1.9、目标地址（DA）

占8bit，DA是报文的目标地址，除目标地址的设备外，其他设备应该忽略此报文。
如果目标地址为0xFF,则表示为全局地址，此时所有设备都应该监听此报文并在收到报文后做出响应。

1.10、组扩展（GE）

组扩展与PDU 格式域的低四位（注意：当PDU 格式域最高四位被置1，说明PS 域是组扩展）规定了每个数据页4096 个参数组。
这4096个参数组仅使用PDU2格式可用。此外，在每个数据页中提供了240个参数组，仅供PDU1格式使用。总共有8672个参数组可以使用当前可用的两个数据页面来定义。
可用参数组总数的计算公式1如下：
在这里插入图片描述

1.11、源地址（SA）

占8bit，发送报文的设备的地址,网络上只能有一个具有给定源地址的设备。因此，源地址根据CAN的要求，字段确保CAN标识符是唯一的。地址管理和分配情况详见SAE J1939-81。在SAE J1939-81中定义了程序，以防止源地址的重复。有关源地址分配，请参考SAE J1939附录B，表B2至表B9。

1.12、远程传输请求位（Remote Transmission Request ，RTR）

当RTR=逻辑0时，表示数据帧；=逻辑1时，表示遥控帧。在 SAE J1939 中始终设置一个显性的 0。
（这一点和CAN保持一致）

1.13、控制段

在控制段中的r1和r0为保留位，默认设置为显性位。它最重要的是DLC段（Data Length Code），数据长度码，
它由四个bit组成，用于表示本报文中的数据段含多少个字节，DLC段表示的数字是0~8 (因为数据段的大小是0到8字节大小)。
（这一点和CAN保持一致）

1.14、CRC段

为了保证报文的正确传输，CAN的报文包含了一段15位的CRC校验码，一旦接收节点算出的CRC码和接收到的CRC码不同，则它会向发送节点反馈错误信息，利用错误帧请求它重新发送报文。
CRC部分的计算一般由CAN控制器硬件完成，出错时的处理则由软件控制最大重发数。 在CRC校验码之后，有一个CRC界定符，它是隐性位，主要是把CRC校验码与后面的ACK段间隔开。
（这一点和CAN保持一致）

1.15、ACK段

占2bit，ACK段包括一个ACK槽位和ACK界定符位。类似I2C总线，在ACK槽位中，发送节点发送的是隐性位，而接收节点则在这一位中发送显性位以应答。在ACK槽和帧结束之间由ACK界定符间隔开。
（这一点和CAN保持一致）

1.16、帧结束

占7bit，由发送节点发送的7个隐性位（逻辑1）表示结束。
（这一点和CAN保持一致）

1.17、参数组编号（PGN）

是 J1939 标准中的唯一帧标识符，用于引用将保留位®、数据页(DP)、PDU格式(PF)和 PDU特定字段(PS)的值组合成单个 18 位值。
参数组还包含了每个报文的 8 字节 CAN 数据字段中的参数分配、重复率和优先级。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）。
参数组编号 可分为两种类型：
a）全局参数组编号
此类PGN识别广播（发送给所有人）的参数组。这里，PDU格式(PF) >= 240，并且PDU特定字段(PS)是组扩展。
b）特定参数组编号
这些用于对等发送（到特定设备）的参数组。如果PDU格式(PF) <= 239，并且PDU特定字段(PS)设置为0，则无论两个 PGN 的类型如何， PDU 格式、PDU 特定字段、数据页和扩展数据页都用于识别相应的参数组。

Tips： 如有不明白，看最后的例子即可。

1.18、怀疑参数编号（SPN）

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。
在这里插入图片描述

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2、Protocol Data Unit (PDU) Formats 协议数据单元格式

定义了两种PDU格式：
PDU1格式（PS =目标地址）和PDU2格式（PS =组扩展），PDU1格式允许将CAN数据帧定向到一个特定的目标地址（设备）；
PDU2格式只能通信不特定于目标的can数据帧。

建立了两种单独的PDU格式，是为了提供更多可能的参数组号组合，同时仍然提供特定于目的地的通信。已分配了专有参数组定义，以便这两种PDU格式都可用于专有通信。为专有通信建立了一种标准化的方法，以防止在标识符使用中可能出现的冲突。
在这里插入图片描述

2.1、PDU1

此格式允许将适用的参数组发送到特定的或全局目标。PDU特定字段包含一个目标地址。PDU1格式消息可以被请求或发送。
PDU1格式消息由PF字段确定。当PF字段值为0到239时，消息为PDU1格式。PDU1消息的格式如上图所示。另请参见下图，PDU1格式。
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2.2、PDU2

此格式只能用于将参数组作为全局消息进行通信。PDU2格式消息可以被请求或发送。
在分配PGN时选择PDU2格式，防止PGN无法被定向到特定的目的地。PDU特定项包含一个组扩展。
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2.3、PDU总结

（1） PDU1和PDU2格式下PGN的总数为：（ 240+（16*256））*2 = 8672

（2） PDU1格式主要分配给必须指明目标地址的PGNs，数量有限；PDU2格式下的PGNs不能用于必须指明目标地址的情况。大部分PGNs都定义在PDU2段。

（3） 为了保证实时性，报文更新速率小于100ms时不允许多包发送。

（4） PDU1和PDU2格式下均支持单包报文和多包报文。无论是PDU1还是PDU2格式，其前半段PGNs标识的报文更新速率小于100ms，不允许多包发送；后前半段PGNs标识的报文更新速率大于100ms，允许多包发送。

（5） 目前支持五种类型消息，分别为：命令、请求、广播/响应、确认和群扩展。特定消息类型由其分配的参数群编号识别。
RTR位（在CAN协议远程帧中定义）不可用于隐性状 态 （ 逻 辑 1 ） 。
因 此 ， 远 程 传 输 请 求（ RTR=1）在SAE J1939中不适用。

三、举栗子

3.1、选择DBC文件的报文

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3.2、按位解析

对ID：0xCF00400进行按位解析。
在这里插入图片描述
优先级P： 3
扩展数据页EDR（R）：0
数据页DP： 0
PDU格式PF： 0xF0，表示PDU格式为PDU2，即PS表示组扩展
PDU特定域PS： 0x04（应该无指定意义，只为了构成PGN的编号），PS表示组扩展
源地址SA： 此处是0x00，实际发送节点EMS的设备地址是0xFE（有点小疑惑，先不管它）
在这里插入图片描述
参数组编号PGN： 0xF004

3.3、查询文档

步骤一， 在SAE-J1939-21中查询PGN,如下图，发现竟然里面的描述和我们上面按位解析的一致**（说明以后我们第一步先找PGN）**
在这里插入图片描述

步骤二， 继续查询并分析SPN190，所谓SPN我认为就是对数据域做了解析。（下图DBC告诉我们该信号处于4-5byte，SPN为190）
在这里插入图片描述
步骤三， 解析SPN190，如下图。
（和DBC的信号属性对比之后，发现分辨率略有区别。无需纠结，可能是整车厂定义了这个参数。但是具体信号的其他属性均和文档一致）
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

总结

关于PGN查询，我在博客下载过一个表格，里面对PGN和SPN等做了链接关系及属性
链接地址
如果哪里表达的有问题，还请大佬们指点指点哈。只算是个人笔记，有些内容和图片非原创。

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