張少宇，孫永鋒，倪麗

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

PGN分配策略及其在商用車(chē)ESS項(xiàng)目中的應(yīng)用分析

張少宇，孫永鋒，倪麗

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

本文詳細(xì)介紹了商用車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用層PGN的定義和分配的原則。并結(jié)合江淮商用車(chē)ESS項(xiàng)目介紹了PGN分配策略在整車(chē)項(xiàng)目中應(yīng)用。

ECU；CAN；PDU；PGN；ESS

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-62-04

前言

商用車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路是：在應(yīng)用層，將客戶(hù)的功能需求轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的參數(shù)，并將功能相似、傳輸更新速率相同或者是來(lái)源于相同ECU的參數(shù)組成參數(shù)組；為了便于對(duì)參數(shù)組進(jìn)行管理，應(yīng)用層為每個(gè)參數(shù)組分配一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)號(hào)，即PGN（參數(shù)組編號(hào)）。數(shù)據(jù)鏈路層把PGN組成PDU；PDU被封裝在一個(gè)或多個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀中，通過(guò)物理介質(zhì)傳輸?shù)狡渌?jié)點(diǎn)。由此可見(jiàn)PGN的分配對(duì)于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的作用。

隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源問(wèn)題日益受到世界各國(guó)關(guān)注。汽車(chē)節(jié)能降耗愈來(lái)愈被重視起來(lái)，客戶(hù)在購(gòu)買(mǎi)車(chē)輛時(shí)越來(lái)越關(guān)注汽車(chē)的油耗問(wèn)題。為適應(yīng)客戶(hù)的需求，支持環(huán)保政策，江淮汽車(chē)研究并開(kāi)發(fā)了商用車(chē)ESS智能控制器，為商用車(chē)節(jié)能降耗技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。

本文分別介紹PGN的定義及分配原則，并結(jié)合江淮汽車(chē)ESS項(xiàng)目分析了PGN分配策略在整車(chē)項(xiàng)目中的應(yīng)用。

1、PGN分配策略

商用車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循SAE J1939協(xié)議，其數(shù)據(jù)鏈路層遵循CAN2.0B規(guī)范，使用擴(kuò)展幀進(jìn)行通信。CAN擴(kuò)展幀格式如圖1所示：

CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信過(guò)程如圖2所示：應(yīng)用層根據(jù)功能需求提出相應(yīng)的指標(biāo)：優(yōu)先級(jí)、保留位、數(shù)據(jù)頁(yè)、PDU格式、PDU細(xì)節(jié)（PF）、源地址和數(shù)據(jù)域，并分配相應(yīng)格式的PGN。數(shù)據(jù)鏈路層將PGN組成PDU；PDU被封裝在一個(gè)或多個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀中，通過(guò)物理介質(zhì)傳輸?shù)狡渌?jié)點(diǎn)。

從通信過(guò)程可以看出，CAN數(shù)據(jù)幀是數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N載體，數(shù)據(jù)幀是通過(guò)PDU進(jìn)行組織管理，PDU對(duì)CAN數(shù)據(jù)幀的每一位賦予特定的意義。

1.1 協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU

PDU由數(shù)據(jù)幀中的29位標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)場(chǎng)組成。其中29位ID又可劃分成6個(gè)域：優(yōu)先級(jí)（P）、保留位（EDP）、數(shù)據(jù)頁(yè)（DP）、PDU格式（PF）、PDU細(xì)節(jié)（PS）、源地址（SA），它們與數(shù)據(jù)域一起組成PDU。PDU的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

下面詳細(xì)介紹PDU的各個(gè)域：

（1）優(yōu)先級(jí)P

包含三位，位于ID中的最前面，用來(lái)優(yōu)化報(bào)文的傳輸延遲。一條報(bào)文的優(yōu)先級(jí)可以從最高0（0002）設(shè)置到最低7（1112）。應(yīng)用層為每條報(bào)文都預(yù)先分配了一個(gè)缺省優(yōu)先級(jí)，通常控制類(lèi)報(bào)文的缺省優(yōu)先級(jí)是3（0112）；其他有關(guān)信息、請(qǐng)求和應(yīng)答等報(bào)文的缺省優(yōu)先級(jí)是6（1102）。當(dāng)定義新參數(shù)組編號(hào)、總線(xiàn)上通信量變化、或報(bào)文的缺省優(yōu)先級(jí)不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可以適當(dāng)升高或降低優(yōu)先級(jí)。

（2）擴(kuò)展數(shù)據(jù)頁(yè)位EDP、數(shù)據(jù)頁(yè)位DP

EDP與數(shù)據(jù)頁(yè)位DP確定了報(bào)文ID的頁(yè)結(jié)構(gòu)。當(dāng)前所有報(bào)文中EDP均設(shè)置為0。DP表示所有的報(bào)文被分成了2頁(yè)，即頁(yè)0和頁(yè)1。應(yīng)用層在分配參數(shù)組編號(hào)PGN時(shí)，只有頁(yè)0中的報(bào)文分配完之后，才允許分配頁(yè)1中的報(bào)文。當(dāng)前的所有報(bào)文的參數(shù)組編號(hào)均分配在頁(yè)0中。

（3）PDU 格式PF

PF是一個(gè)8位域，根據(jù)PF取值可以確定了報(bào)文的PDU格式。定義了兩種PDU格式，即PDU1格式和PDU2格式。PF取值0-239（EF）表示PDU1格式，PF取值240（F0）-255（FF）表示PDU2格式。

PDU1格式的報(bào)文表示向特定目標(biāo)地址發(fā)送；PDU2 格式的報(bào)文僅用于向全局發(fā)送。

（4）PDU細(xì)節(jié)PS

PS域是一個(gè)8位域，它的內(nèi)容取決于PF的取值，它可以表示目標(biāo)地址（DA）也可以表示組擴(kuò)展（GE）。具體情況如下表1所示：

表1 PDU的兩種格式

目標(biāo)地址（DA）：DA確定了一條PDU1格式的報(bào)文所指向的目標(biāo)地址，可以是特定的目標(biāo)地址，也可以是全局目標(biāo)地址（DA＝255）。如果目標(biāo)地址是特定地址，則要求任何源地址與該目標(biāo)地址不同的節(jié)點(diǎn)應(yīng)忽略此報(bào)文。如果目標(biāo)地址是全局地址，則要求所有節(jié)點(diǎn)對(duì)該報(bào)文都要作出監(jiān)聽(tīng)和響應(yīng)。

組擴(kuò)展（GE）：PDU2格式報(bào)文PS域中的填充內(nèi)容表示組擴(kuò)展，此時(shí)PS與PF一起共同確定一個(gè)PGN。

（5）數(shù)據(jù)域

數(shù)據(jù)域中包含了一條CAN數(shù)據(jù)幀要發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容。數(shù)據(jù)內(nèi)容由應(yīng)用層中的報(bào)文列表給出。數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度固定為8個(gè)字節(jié)，超過(guò)8個(gè)字節(jié)的報(bào)文采用傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸。

1.2 參數(shù)組編號(hào)PGN

PGN是由應(yīng)用層分配給參數(shù)組的唯一標(biāo)識(shí)號(hào)。它是一個(gè)3字節(jié)數(shù)據(jù)，它的取值與PDU存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

其編碼規(guī)則是：第一個(gè)字節(jié)最高6位全置0，其后依次是EDP位、DP位，第二個(gè)字節(jié)為PF，第三個(gè)字節(jié)根據(jù)PDU的格式取值不同：若PDU1格式，則PGN的第三字節(jié)為0；若PDU2格式，則PGN的第三字節(jié)為PS的值，如圖4所示。

通過(guò)PGN的定義可以計(jì)算，可用參數(shù)組的總數(shù)目為：[240(PDU1)+16*256(PDU2)]*2(DP)=8672

其中：240=每個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)中PDU1格式域可用值的數(shù)目

16=每個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)中PDU2格式域可用值的數(shù)目

256=組擴(kuò)展可能值的數(shù)目

2=數(shù)據(jù)頁(yè)數(shù)

PGN的取值計(jì)算如下所示：

PDU1格式：PGN=PF*256

PDU2格式：PGN=PF*256+GE PGN的編號(hào)范圍如下圖5所示。

1.3 PGN的分配原則

從PGN的定義過(guò)程可以看出，PGN的值是有PDU來(lái)決定的。鑒于PGN與PDU間的關(guān)系，PGN的分配通常通過(guò)PDU的定義來(lái)實(shí)現(xiàn)。

SAE J1939協(xié)議定義了三種通信方法，這三種通信方法是：

（1）PDU1格式通信（PS=指定的目標(biāo)地址）；

（2）PDU2格式通信（PS=組擴(kuò)展）；

（3）使用專(zhuān)用參數(shù)組編號(hào)的專(zhuān)用通信。每種通信方法都有其適用場(chǎng)合，適當(dāng)運(yùn)用各種類(lèi)型的通信方法，可以有效使用現(xiàn)有的參數(shù)組編號(hào)。

如果一個(gè)參數(shù)組需要發(fā)送到指定的目標(biāo)地址，就必須使用PDU1格式。

如果參數(shù)組是從一個(gè)或多個(gè)源地址發(fā)送消息到多個(gè)目標(biāo)地址，就必須使用PDU2格式。

專(zhuān)用通信應(yīng)用于以下兩種情況：(a)在不需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)通信的場(chǎng)合

(b)在進(jìn)行專(zhuān)用信息通信很重要的場(chǎng)合

其中一個(gè)參數(shù)組編號(hào)被分配用于指定目標(biāo)地址專(zhuān)用通信（PF=EF），而另一個(gè)參數(shù)組編號(hào)被分配用于非指定目標(biāo)地址專(zhuān)用通信（PF=FF）。

在進(jìn)行分配參數(shù)組時(shí)，應(yīng)遵循如下的原則：

首先依次考慮使用專(zhuān)用通信方法和PDU2格式。

如果是進(jìn)行專(zhuān)用信息的通信，或者是通信的信息不通用（如請(qǐng)求PGN信號(hào)），則應(yīng)當(dāng)用專(zhuān)用通信方法。

如果信息通用，而且不需要指定消息發(fā)送到某個(gè)特定節(jié)點(diǎn)，那么應(yīng)該考慮采用PDU2格式的通信方法。

最后，如果信息通用，但要求指定發(fā)送到眾多設(shè)備中的某一個(gè)，那么需要用指定目標(biāo)地址并分配一個(gè)PDU1格式的參數(shù)組。

2、ESS項(xiàng)目中的PGN分配

2.1 商用車(chē)ESS系統(tǒng)

近年來(lái)，隨著汽車(chē)節(jié)能降耗問(wèn)題愈來(lái)愈被重視，客戶(hù)更加關(guān)注汽車(chē)的油耗問(wèn)題。在影響車(chē)輛油耗的因素中，駕駛習(xí)慣容易被忽視，事實(shí)上可以利用電子電氣技術(shù)，對(duì)駕駛員的操控行為進(jìn)行干預(yù)，幫助駕駛員養(yǎng)成節(jié)能降耗的優(yōu)良駕駛習(xí)慣。江淮汽車(chē)開(kāi)發(fā)了商用車(chē)ESS系統(tǒng)（節(jié)油駕駛輔助及智能保養(yǎng)系統(tǒng)），為商用車(chē)節(jié)油技術(shù)的發(fā)展提供了一種新的方法。

ESS系統(tǒng)功能如圖6所示：

ESS系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)四大功能：數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)；駕駛行為實(shí)時(shí)判斷預(yù)警；駕駛行為評(píng)價(jià)；智能保養(yǎng)提醒。

（1）數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)功能

ESS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了高識(shí)別性與高時(shí)效性數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)算法，確保車(chē)輛狀態(tài)原始數(shù)據(jù)被準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)，為ESS的其他功能實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）駕駛行為實(shí)時(shí)判斷預(yù)警功能

ESS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了駕駛行為實(shí)時(shí)判斷預(yù)警算法。算法中設(shè)定激活系統(tǒng)功能的各參數(shù)變量的數(shù)值或閾值的上下限，以及邏輯識(shí)別近似處理。通過(guò)將采集到的車(chē)輛狀態(tài)參數(shù)與設(shè)定值或閾值的比較，判斷車(chē)輛當(dāng)前油耗狀態(tài)，通過(guò)顯示設(shè)備和語(yǔ)音模塊向駕駛員提供預(yù)警信息。

（3）駕駛行為評(píng)價(jià)功能

ESS系統(tǒng)內(nèi)置各種閾值范圍，在駕駛員完成本次駕駛操作后，使用本次駕駛的車(chē)輛油耗數(shù)據(jù)以及處于高油耗狀態(tài)的時(shí)間、里程等信息，生成駕駛員本次駕駛行為評(píng)價(jià)信息，通過(guò)顯示設(shè)備告知駕駛員。

（4）智能保養(yǎng)提醒功能

根據(jù)車(chē)輛總行駛里程或行駛時(shí)間信息，使用優(yōu)先達(dá)到閾值者進(jìn)行判斷。達(dá)到保養(yǎng)條件時(shí)，ESS系統(tǒng)顯示設(shè)備上的保養(yǎng)維護(hù)圖標(biāo)點(diǎn)亮，提醒駕駛員對(duì)車(chē)輛進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)。

2.2 ESS智能控制器功能及信號(hào)定義

根據(jù)ESS系統(tǒng)的功能定義，江淮汽車(chē)ESS智能控制的功能如下表2所示：

表2 ESS功能類(lèi)別

加速評(píng)價(jià)車(chē)速評(píng)價(jià)換檔評(píng)價(jià)停車(chē)運(yùn)行時(shí)間評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)清除車(chē)輛維護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)空濾器維護(hù)3 智能保養(yǎng)柴濾器維護(hù)蓄電池電量監(jiān)測(cè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向液液面監(jiān)測(cè)

依據(jù)功能定義，確定ESS控制器發(fā)送的報(bào)文及信號(hào)如下表3所示：

表3 ESS控制器發(fā)送的報(bào)文及信號(hào)

2.3 ESS智能控制器中PGN分配

從功能需求考慮，ESS智能控制器發(fā)送的報(bào)文為私有報(bào)文，而且ESS模塊報(bào)文不必指定目標(biāo)地址，因此考慮采用非指定目標(biāo)地址專(zhuān)用通信（PF=FF）。綜合考慮整車(chē)上所有CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的PGN分配狀況，ESS控制器的PGN分配及信號(hào)定義如表4所示：

表4 ESS控制器的PGN分配及信號(hào)定義

3、結(jié)束語(yǔ)

在商用車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用層參數(shù)組PGN的分配對(duì)于協(xié)調(diào)信號(hào)間的收發(fā)關(guān)系和維護(hù)系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性具有重要的意義。充分理解和掌握PGN的定義和分配原則，才能更加方便地指導(dǎo)整車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[1]SAE J1939-01：Recommended Practice for Control and Communications Network for On Highway Equipment,2000.

[2]SAE J1939-21：Data Link Layer,2010.

[3]SAE J1939-71：Vehicle Application Layer,2013.

[4]羅峰,孫澤昌.汽車(chē)CAN總線(xiàn)系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社.

Research on PGN Distribution and Its Application on ESS Item of Commercial Vehicles

Zhang Shaoyu, Sun Yongfeng, Ni Li
(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601)

The definition and distribution of Parameter Group Number, which was defined in application layer of commercial vehicles' Control Area Network, was introduced in this paper. Then, an example of application for Parameter Group Number distribution was given based on Economic Support System item of Jiang Huai Automobile Company.

Electronic Control Unit；Control Area Network；Protocol Data Unit；Parameter Group Number；Economic Support System

U462.1

A

1671-7988(2015)04-62-04

張少宇，工程師，就職于安徽江淮汽車(chē)技術(shù)中心，從事電器設(shè)計(jì)工作，研究方向?yàn)檐?chē)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。