藺春明，王守勝，高美芹，俞燚

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

CAN數(shù)據(jù)包的長度不超過8個字節(jié)，在診斷等場合下會需要傳輸幾十甚至上百字節(jié)的數(shù)據(jù)，為了解決這種情形下的應(yīng)用矛盾，目前有兩種較好的方案：一是ISO 15765-2標(biāo)準中在網(wǎng)絡(luò)層定義的多幀數(shù)據(jù)通訊；二是SAE J1939-21標(biāo)準在數(shù)據(jù)鏈路層中也定義了多幀數(shù)據(jù)通訊，二者雖然都是對于多幀數(shù)據(jù)通訊的實現(xiàn)，但是在實現(xiàn)方式、最大通訊數(shù)據(jù)量、超時、錯誤處理等上存在較大的差異，下面分別分析兩種多幀數(shù)據(jù)通訊以及二者之間的差異、優(yōu)劣、應(yīng)用趨勢、發(fā)展前景等。

1 ISO 15765-2多幀數(shù)據(jù)通訊

ISO15765協(xié)議在傳輸多幀數(shù)據(jù)的過程中需要對報文進行組包、分包和流控制（FC），ISO15765協(xié)議是通過一個控制信息來實現(xiàn)的。

1.1 控制及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

ISO15765定義了一個協(xié)議控制信息（PCI）來完成數(shù)據(jù)的通訊，通過PCI將數(shù)據(jù)分為單幀（SF）、第一幀（FF）、連續(xù)幀（CF）和流控制幀（FC）4種類型的消息幀，通過數(shù)據(jù)域的PCI區(qū)別幀功能類型（本文僅對常規(guī)尋址、常規(guī)固定尋址進行說明，其他尋址方式的 PCI填充信息會稍有差異）。表1描述了這幾種幀的數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)。

表1 數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)

表2～表4描述了實現(xiàn)多幀數(shù)據(jù)通訊的四種PDU類型及數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)信息含義：

第一幀的0字節(jié)的高4位填充1，表示PDU的類型為第一幀，0字節(jié)和1字節(jié)共同組成數(shù)據(jù)包的長度，共12位，所以ISO 15765-2定義的多幀數(shù)據(jù)通訊的最大數(shù)據(jù)量為4095字節(jié)；2～7字節(jié)填充第一幀數(shù)據(jù)。

表2 第一幀的數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)描述

表3 流控制幀的數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)描述

表4 連續(xù)幀的數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)描述

1.2 數(shù)據(jù)通訊過程

圖1描述了一個完整的基于ISO 15765-2協(xié)議定義的多幀數(shù)據(jù)通訊過程。

圖1 多幀數(shù)據(jù)通訊過程

發(fā)送節(jié)點從應(yīng)用層接收數(shù)據(jù)后，來判斷是屬于長數(shù)據(jù)還是短數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)長度≤7時，數(shù)據(jù)就會以單幀的形式通訊。生成的單幀PCI（1個字節(jié)）、數(shù)據(jù)和CAN標(biāo)識符一起組成網(wǎng)絡(luò)層PDU傳輸?shù)綌?shù)據(jù)鏈路層。

當(dāng)數(shù)據(jù)長度＞7時，就會對數(shù)據(jù)進行打包，將前6個字節(jié)的數(shù)據(jù)放在 FF幀（第一幀）中，在第一幀的前兩個字節(jié)是PCI，包含消息幀的長度。隨后接收數(shù)據(jù)的節(jié)點會發(fā)送流控制幀（FC），流控制幀就是告訴發(fā)送節(jié)點接下來怎么樣發(fā)送剩下的數(shù)據(jù)。流控制幀包含BS（Block Size）和STmin。其中 BS決定了接收節(jié)點一次可以接收連續(xù)幀的個數(shù)。STmin為連續(xù)發(fā)送連續(xù)幀的最小時間間隔。每次發(fā)送過程均收到FC，再根據(jù)FC發(fā)送剩余數(shù)據(jù)，直至全部數(shù)據(jù)發(fā)送完。

當(dāng)SF和CF的最后一幀加上PCI的信息不夠8個字節(jié)時，即數(shù)據(jù)域沒有全部使用時，協(xié)議規(guī)定要填充，具體填充1或0可由OEM定義，目的是在CAN總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是8個字節(jié)，省去數(shù)據(jù)鏈路層去計算DLC。

以上是在發(fā)送時的拆裝過程，相反，如果接收來自電控單元的數(shù)據(jù)時則要完成組裝過程，這時需要一個具有足夠空間的緩存區(qū)以存放接收的數(shù)據(jù)。

1.3 連接超時及錯誤處理

1.3.1 連接超時

在 4種消息幀通訊的過程中，會有 As、Ar、Bs、Br、Cs和Cr六種定時參數(shù)約束這四種消息幀的通訊時間和通訊的間隔等。

圖2 時間參數(shù)定義

表5 超時定義

1.3.2 錯誤識別與處理

SF_DL錯誤：SF_DL=0 或者SF_DL＞7（常規(guī)尋址）接收方網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)忽略接收到的單幀，且接收方無 indication；FF_DL＞接收方的緩存，那么接收方網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)中斷報文接收，接收方發(fā)送 FC，其中 FS=Overflow，接收方無 indication；FF_DL＜=7/6（常規(guī)尋址模式為7，擴展或混合尋址為6），網(wǎng)絡(luò)層忽略FF，接收方無indication，且不發(fā)送FC；SN錯誤：CF N_PDU中的SN錯誤，報文接收應(yīng)被中斷，接收方網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)指示上層＜Result＞=N_WRONG_SN；SN 錯誤：CF N_PDU中的SN錯誤，報文接收應(yīng)被中斷，接收方網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)指示上層＜Result＞=N_WRONG_SN；FS錯誤：如果發(fā)送方網(wǎng)絡(luò)層發(fā)現(xiàn)接收到的FC N_PDU中的FS錯誤，那么報文發(fā)送應(yīng)被中斷，發(fā)送方網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)確認上層＜Result＞=N_INVALID_FS；N_WFTmax：接收方最多連續(xù)發(fā)送多少個等待FC幀個數(shù)，本地變量，僅可以在多幀報文發(fā)送過程中接收方網(wǎng)絡(luò)實體中定義，系統(tǒng)初始化時應(yīng)設(shè)置正確，使用這個變量用于避免發(fā)送方節(jié)點一直處于等待FC狀態(tài)；ST錯誤：發(fā)送方接收到的FC中的STmin設(shè)置為保留值時，發(fā)送方繼續(xù)發(fā)送 CF，只是各個CF之間的間隔時間為協(xié)議最大值（7F-127ms），發(fā)送方和接收方?jīng)]有錯誤向各自上層報告。

非預(yù)期幀的處理：在多幀報文通訊過程中，任何一方接收到的非期望報文（同一個N_AI），總線設(shè)計者確定總線采用全雙工或半雙工，然后依據(jù)節(jié)點處于接收狀態(tài)，發(fā)送狀態(tài)及空閑狀態(tài)時，接收到非預(yù)期報文，網(wǎng)絡(luò)層的處理方法不同：①半雙工狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)層處于發(fā)送狀態(tài)，收到任何數(shù)據(jù)報文，均忽略；②全雙工狀態(tài)，除SF和物理尋址的FF外，包括功能尋址FF均作忽略處理，且不向上層報告。

表6 STmin定義

多幀報文的發(fā)送必須使用物理尋址，如果多幀報文的發(fā)送是功能尋址則需忽略功能尋址第一幀。

2 SAE J1939-21數(shù)據(jù)通訊

1個SAE J1939消息幀的數(shù)據(jù)場不超過8個字節(jié)，因此，如果要發(fā)送的數(shù)據(jù)長度超過8個字節(jié)，就需要將消息幀分成幾個不超過8個字節(jié)的消息幀分包發(fā)送。

2.1 控制及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表7～表14描述了實現(xiàn)連接管理及數(shù)據(jù)通訊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

SAE J1939-21數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通訊中對于TP.DT(數(shù)據(jù)傳送)數(shù)據(jù)域的結(jié)構(gòu)定義見表7，數(shù)據(jù)場的第1個字節(jié)從1開始作為消息幀的序號，后7個字節(jié)用來存放數(shù)據(jù)，所以可發(fā)送255×7=1785個字節(jié)的數(shù)據(jù)（255表示最大能夠發(fā)送的包數(shù)，范圍1～255包；7表示每包消息幀的字節(jié)數(shù)，2～8位為存放數(shù)據(jù)位）。數(shù)據(jù)包按照包編號順序發(fā)送，最后一個數(shù)據(jù)包未用的字節(jié)以0xFF填充。

表7 TP.DT數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)

表8 TP.DT參數(shù)組描述

表9 TP.CM參數(shù)組描述

表10 TP.CM_RTS參數(shù)描述

表11 TP.CM_CTS參數(shù)描述

表12 TP.CM_EndofMsgAck參數(shù)描述

表13 TP.CM_Abort參數(shù)描述

表14 TP.CM_BAM參數(shù)描述

消息幀被接收以后按序號重新組合成原來的數(shù)據(jù)，消息幀的重組過程正好是拆分包的逆向過程。

2.2 數(shù)據(jù)通訊過程

連接管理主要對節(jié)點之間連接的建立和關(guān)閉、數(shù)據(jù)的傳送進行管理，其中定義了發(fā)送請求幀、發(fā)送清除幀、結(jié)束應(yīng)答幀、連接失敗幀及用來全局接收的廣播幀5種幀結(jié)構(gòu)。節(jié)點之間的連接通過1個節(jié)點向目的地址發(fā)送1個發(fā)送請求幀而建立。在接收發(fā)送請求幀以后，節(jié)點如果有足夠的空間來接收數(shù)據(jù)并且數(shù)據(jù)有效，則發(fā)送1個發(fā)送清除幀，開始數(shù)據(jù)的傳送；如果存儲空間不夠或數(shù)據(jù)無效等原因而節(jié)點需要拒絕連接，則發(fā)送連接失敗幀，連接關(guān)閉；如果數(shù)據(jù)接收全部完成，則節(jié)點發(fā)送1個結(jié)束應(yīng)答幀，連接關(guān)閉。

2.2.1 點對點會話

一般會話的通訊過程參考圖3：圖3描述了基于請求、應(yīng)答模式的連接管理及數(shù)據(jù)通訊過程，發(fā)送節(jié)點請求傳輸一個PGN為65259的數(shù)據(jù)包，字節(jié)長度為23字節(jié)，包長度為4包，接收節(jié)點允許單次連續(xù)發(fā)送不超過2包的數(shù)據(jù)，通訊過程按照一般正常過程完成連接管理及數(shù)據(jù)通訊。

圖3 點對點會話過程

要求某一個數(shù)據(jù)包重發(fā)：參考圖4虛線框內(nèi)，接收節(jié)點要求把PGN65259的第2包數(shù)據(jù)重發(fā)，發(fā)送節(jié)點下一幀把第2包數(shù)據(jù)重新發(fā)送一遍。

圖4 數(shù)據(jù)包重發(fā)過程

利用RTS的最大數(shù)據(jù)包能力：參考圖5虛線框內(nèi)，發(fā)送節(jié)點單次連續(xù)發(fā)送5包數(shù)據(jù)。

圖5 RTS的最大數(shù)據(jù)包通訊

2.2.2 廣播會話

圖6描述了基于廣播模式的數(shù)據(jù)通訊過程：發(fā)送節(jié)點廣播請求傳輸一個PGN為65260的數(shù)據(jù)包，字節(jié)長度為17字節(jié)，包長度為3包，通訊過程按照一般正常過程完成數(shù)據(jù)通訊。

圖6 廣播會話通訊過程

2.3 連接超時及錯誤處理

2.3.1 連接超時

超時功能：控制報文的發(fā)送速率，留給對方足夠的處理時間，防止長時間等待。

超時處理：點對點會話中，等待方發(fā)送放棄連接報文，退出通訊過程；廣播公告中，直接退出通訊過程。

表15 超時的時間參數(shù)設(shè)定

2.3.2 錯誤識別與處理

1）連接關(guān)閉的情形：

①BAM 報文的連接關(guān)閉情形：發(fā)送節(jié)點發(fā)送最后一包DT；響應(yīng)節(jié)點接收到最后一包DT，出現(xiàn)一次T1連接超時。

②RTS/CTS報文連接關(guān)閉情形：發(fā)送節(jié)點完成數(shù)據(jù)通訊后接收到 TP.CM_EndOfMsgAck；發(fā)送了放棄連接報文；接收到放棄連接報文。響應(yīng)節(jié)點完成數(shù)據(jù)通訊后發(fā)送TP.CM_EndOfMsgAck；接收到放棄連接報文；發(fā)送了放棄連接報文。

2）連接限制的情形：

①同一時刻，發(fā)送節(jié)點對一個節(jié)點只能發(fā)起一個點對點會話。

②發(fā)送節(jié)點同一時刻只能發(fā)起一個廣播公告。

③連接狀態(tài)下，如果接收節(jié)點不支持另一個連接，必須發(fā)送放棄連接報文進行拒絕。

④接收節(jié)點必須能夠同時接收來自多個不同節(jié)點的連接（包括點對點會話和廣播公告）。

⑤接收節(jié)點能夠同時支持由同一個發(fā)送節(jié)點發(fā)起的一個點對點會話和一個廣播公告。

3 兩種多幀數(shù)據(jù)通訊差異

CAN數(shù)據(jù)包的長度不超過8個字節(jié)，在診斷等場合下會需要傳輸幾十甚至上百字節(jié)的數(shù)據(jù)，無論ISO 15765-2還是SAE J1939-21均能很好的解決多幀數(shù)據(jù)通訊的功能，只是二者在實現(xiàn)思想及細節(jié)上存在一定差異。

3.1 連接管理、數(shù)據(jù)通訊

ISO15765-2定義了一個PCI來完成連接管理及數(shù)據(jù)的通訊，PCI放置在數(shù)據(jù)域的第1～3字節(jié)，通過PCI將數(shù)據(jù)分為SF、FF、CF和FC 4種類型的消息幀及對應(yīng)的控制信息，4種數(shù)據(jù)幀共用一個ID，通過PCI來區(qū)別幀的功能類型及對應(yīng)的控制信息。節(jié)點之間的連接管理及數(shù)據(jù)通訊控制信息均是通過PCI來體現(xiàn)。

而SAE J1939-21則是通過PGN TP.CM來實現(xiàn)節(jié)點之間的連接管理，包括：發(fā)送請求、發(fā)送允許、結(jié)束應(yīng)答、連接失敗及用來全局接收的廣播功能的實現(xiàn)，5種功能的控制信息則是填充到對應(yīng)數(shù)據(jù)域的第1字節(jié)內(nèi)。SAE J1939-21實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊則是通過PGNTP.DT來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)域第1字節(jié)填充數(shù)據(jù)包的編號，第2～7字節(jié)填充具體數(shù)據(jù)。節(jié)點之間的連接管理及數(shù)據(jù)通訊控制信息是通過兩個 PGN及對應(yīng)的控制字節(jié)來實現(xiàn)的。

3.2 數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)

由于二者在通訊模式、實現(xiàn)策略上的差異性，二者的數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)也存在一定的差異，第2、3章節(jié)已詳細說明，此章節(jié)就不再詳述，但是二者基于對報文組包、拆包及連接控制的核心思想都是相通的，都是為了實現(xiàn)多幀通訊的功能。

3.3 最大數(shù)據(jù)長度

由于二者數(shù)據(jù)格式定義的差異性，所以二者在最大數(shù)據(jù)傳輸長度上也不同，其中ISO15765-2的為4095字節(jié)，SAE J1939-21的為1785字節(jié)。

3.4 超時及錯誤處理

為了控制數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，留給控制器足夠的處理時間，防止長時間等待，應(yīng)對總線異常狀況，超時處理和故障處理策略的定義是非常必要的。二者為了數(shù)據(jù)通訊功能的實現(xiàn)均提供了完善的超時功能及故障處理策略。二者在超時參數(shù)的定義及故障處理策略上根據(jù)自身通訊機制的差異分別作了詳細的定義，差異較大。

4 優(yōu)劣分析及應(yīng)用趨勢

從二者的差異性可以看出，SAE J1939-21數(shù)據(jù)通訊在通訊模式、實現(xiàn)策略上更為復(fù)雜，對于主機廠、供應(yīng)商等開發(fā)應(yīng)用者來說更難理解和應(yīng)用。ISO15765-2定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上相較更為緊湊，對數(shù)據(jù)域的利用率也更高，在傳輸同等數(shù)據(jù)量的情況下，通訊效率也更高。ISO15765-2支持的最大數(shù)據(jù)長度為4095字節(jié)，SAE J1939-21為1785字節(jié)。從技術(shù)角度分析，ISO15765-2的數(shù)據(jù)通訊略優(yōu)于SAE J1939-21定義的數(shù)據(jù)通訊。

另外，多幀數(shù)據(jù)通訊一般應(yīng)用于診斷場合，依附于診斷協(xié)議的推廣而被推廣，所以診斷協(xié)議的應(yīng)用推廣狀況代表著兩種多幀數(shù)據(jù)通訊的推廣情況。ISO 15765-2屬于ISO的體系，一般和ISO 11898、ISO 14229等協(xié)議規(guī)范共同組成整車的總線協(xié)議，一般應(yīng)用在乘用車領(lǐng)域。SAEJ1939-21由于屬于SAE J1939系列協(xié)議的體系，所以在SAE J1939通訊協(xié)議的場合中應(yīng)用廣泛，應(yīng)用車型主要包含中大型卡車和客車等。IS0 15765診斷協(xié)議是全球統(tǒng)一診斷協(xié)議IS014229基于CAN總線的具體應(yīng)用，IS0 15765和IS014229的組合形成的診斷協(xié)議標(biāo)準經(jīng)過多年的發(fā)展和應(yīng)用已非常完善與成熟，適用于電控單元的在線配置、開發(fā)標(biāo)定、售后維修和軟件升級等，在乘用車及中小型的商用車上得到非常廣泛的應(yīng)用。SAE J1939是美國汽車工程師協(xié)會制定的專門針對重型車應(yīng)用的通訊、診斷協(xié)議，由于SAE J1939起步稍晚，其定義的增強型診斷實現(xiàn)機制異常復(fù)雜，尤其是診斷服務(wù)不夠完善，所以若想進一步推廣還需做大量的完善工作。

目前無論從技術(shù)的角度還是從各自所從屬的診斷協(xié)議的推廣狀況來看，ISO15765-2的多幀數(shù)據(jù)通訊都要優(yōu)于 SAE J1939-21定義的多幀數(shù)據(jù)通訊。所以筆者大膽預(yù)測，未來ISO15765-2的多幀數(shù)據(jù)通訊憑借自身的技術(shù)優(yōu)勢及和 ISO 14229、ISO 15765的依附關(guān)系會進一步擴大應(yīng)用范圍，包括乘用車，中小型商用車，甚至是采用SAE J1939系統(tǒng)通訊的控制器，SAEJ1939-21多幀數(shù)據(jù)通訊的應(yīng)用范圍可能將進一步被蠶食，局限于DM1、DM2（SAE J1939定義的當(dāng)前故障、歷史故障診斷服務(wù)）等有限的診斷服務(wù)中。

5 結(jié)論

兩種多幀數(shù)據(jù)多幀數(shù)據(jù)通訊雖在通訊原理、機制、實現(xiàn)手段、細節(jié)等方面存在較大的差異，但是二者基于對報文組包、拆包及連接控制的核心思想都是相通的，都是為了實現(xiàn)多幀通訊的功能。只有充分理解和掌握這些協(xié)議的原理、機制等，才能更加方便、精準地指導(dǎo)汽車總線設(shè)計、驗證，了解汽車的故障，準確快速地分析、解決汽車出現(xiàn)的問題。而主機廠也應(yīng)根據(jù)自身及外界發(fā)展趨勢合理選擇適合自身的多幀數(shù)據(jù)通訊，通過長遠的平臺規(guī)劃，以提高整車的系統(tǒng)兼容性。

[1] SAEJ1939-21:DataLinkLayer,2006.

[2] SAEJ1939-71:VehicleApplicationLayer,2010.

[3] SAEJ1939-73:ApplicationLayerDiagnostics,2010.

[4] IS015765-2:Roadvehicles Diagnosticson ControllerArea Networks(CAN),Part2:Networklayerservices,2004.