２．２ Ｓ Ａ Ｅ Ｊ１９３９ 报文帧格式 Ｊ１９３９ 的信息是以 ＰＤ Ｕ（ＰｒｏｔｏｃｏｌＤ ａｔａ Ｕ ｎｉｔ协议 数据单元） 的形式进行传输的，ＰＤ Ｕ 的封装在应用 层中完成。ＰＤ Ｕ 提供了组织信息的框架，这一点对 于每一个要发送的 Ｃ Ａ Ｎ 数据帧来说是至关重要的。 如图 ２，Ｊ１９３９ ＰＤ Ｕ 共由七个域组成，包括：优先权 （Ｐ）、保留位（Ｒ ）、数据页（Ｄ Ｐ）、ＰＤ Ｕ 格式（ＰＦ）、 ＰＤ Ｕ 细节 （ＰＳ，可为目的地址、参数组扩展或私 有）、源地址（ＳＡ ）及数据域（Ｄ ａｔａ Ｆｉｅｌｄ）。由这些 域被封装为一个 ＣＡ Ｎ 数据帧发送到网络上其他节
车速、发动机转速、冷却水温度、燃油油量采用
力、发动机转速、冷却液温度、油量、及各种危险报警。 步进电机（Ｖ ＩＤ ２９－０２）驱动指针指示，里程信息采
汽车仪表已成为体现汽车高精尖技术的主要部分。
用里程表专用段式 ＬＣ Ｄ 模块 ＬＣ Ｍ １０１０ 显示，各开
本文所述的总线式汽车仪表一方面具有传统仪 关和报警信号则采用 ＬＥ Ｄ 指示灯。
结束）等。对于这些域，Ｊ１９３９ 协议完全遵从 Ｃ Ａ Ｎ 规 必要的数据重叠）；③按照功能分组（机油、冷却
范中的定义。
液、燃油等等）。
２．３ Ｓ Ａ Ｅ Ｊ１９３９ 应用层协议
２．４ 汽车仪表关键数据的计算
Ｊ１９３９ 应用层协议详细描述了用于 Ｊ１９３９ 网络
发动机转速是汽车仪表所要显示的重要参数，
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技术纵横
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ＳＡ Ｅ Ｊ１９３９ 协议在汽车仪表中的应用
王 建 戴方全
（北京航空航天大学汽车工程系）
摘要 本文利用汽车 Ｃ Ａ Ｎ 总线技术及 ＳＡ Ｅ Ｊ１９３９ 协议，开发出一套可与其他运行该协议的 设备通讯的总线式数字汽车仪表。文章介绍了 Ｃ Ａ Ｎ 总线及 ＳＡ Ｅ Ｊ１９３９ 协议，深入研究了 １９３９ 协议的报文帧格式及应用层协议，给出了仪表系统的总体结构，并介绍了该套仪表 基于嵌入式实时操作系统 μＣ ／Ｏ Ｓ－ ＩＩ的软件设计，总结了采用 μＣ ／Ｏ Ｓ－ ＩＩ的优点。 关键词：Ｃ Ａ Ｎ 总线 ＳＡ Ｅ Ｊ１９３９ 汽车仪表 μＣ ／Ｏ Ｓ－ＩＩ
获得 Ｏ ＳＳｅｍ ｐｏｓｔ Ｃ ＰＵ 后
获得 Ｏ ＳＱ Ｐｏｓｔ（） Ｃ ＰＵ 后
处理数据并发 送消息
计算步数并驱 动电机
图 ３ 典型的 μＣ ／Ｏ Ｓ －ＩＩ任务流程
３．４ 采用 Ｒ Ｔ Ｏ Ｓ 的优点 使用 Ｒ ＴＯ Ｓ 与不使用操作系统相比的一个显著 特点是提高了 Ｃ ＰＵ 的利用率，以本系统中的步进电 机驱动为例： … ｆｏｒ（ｉ＝ ０；ｉ＜ ｓｔｅｐｓ；ｉ＋＋） ｛
线以其优异的性能成为汽车局域网的发展趋势［１］。 （发动机电控单元节点）获取，车速信号通过对车
ＳＡ Ｅ Ｊ１９３９ 协议是美国汽车工程师协会 ＳＡ Ｅ 速传感器脉冲信号频率的测量得到，其余开关量及
（Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆＡ ｕｔｏｍ ｏｔｉｖｅ Ｅ ｎｇｉｎｅｅｒ） 发布的以 Ｃ Ａ Ｎ 总线 模拟量信号则从相应的传感器和开关采集得到。如
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图 ８ 客户端程序后面板
６ 结束语
虚拟仪器技术与网络技术的结合，及其在汽车 测控领域中的应用，是对传统测控方式的一场挑战 和变革。应用 ＬａｂＶ ＩＥ Ｗ 作为虚拟仪器软件开发平 台，为开发高性能的计算机测控系统提供了极大的 便利。测控方式的网络化，是未来测控技术发展的必 然趋势，通过建立分布式网络测控系统，能够充分利 用现有资源和网络带来的种种好处，实现各种资源 最有效合理的配置。应用分布网络测控，可以进行多
初始化
中
断
服 务
发起 Ｃ Ａ Ｎ 任务
程
序
等待信号量 Ｏ ＳＳｅｍ Ｐｅｎｄ（）
发起电机任务
等待队列 ห้องสมุดไป่ตู้ ＳＱ Ｐｅｎｄ（）
３ 系统软件设计
３．１ 操作系统简介 μＣ ／Ｏ Ｓ－ＩＩ 是由 Ｊｅａｎ Ｊ．Ｌａｂｒｏｓｓｅ 开发的 一 个 免 费的、开放源代码的嵌入式实时操作系统。自从 １９９２ 年发布以来获得了广泛的应用，目前已经被移 植到 ４０ 多种不同结构的 Ｃ ＰＵ 上。 μＣ ／Ｏ Ｓ－ＩＩ 是一 个完全抢占式的内核，不支持轮转调度法。 μＣ ／Ｏ Ｓ－ＩＩ 提供了许多系统服务，如邮箱机制、队列 机制、信号量机制、固定大小的内存分区以及时间相 关的函数等等［４］。 ３．２ 任务结构及分析 主程序在完成各种初始化操作 （串行口初始 化、存储器测试、ＳＪＡ １０００ 初始化、信号量和消息队 列的建立等等）后依次创建各任务，然后通过调用 Ｏ ＳＳｔａｒｔ（）函数启动操作系统。在 μＣ ／Ｏ Ｓ－ＩＩ 中，各任 务被赋予不同的优先级，拥有各自的任务堆栈，不同 任务之间通过消息队列和信号量互相通信和共享数 据。任务都采用无限循环结构，各任务通过延时或等 待信号量和消息队列来放弃 Ｃ ＰＵ 使用权，这样在时 钟节拍到来时将产生中断级任务切换，系统转而运 行处于就绪态的高优先级任务，当延时时间到或者 信号量和消息到来时，任务将再次运行。 ３．３ 程序流程 图 ３ 所示为 ＣＡ Ｎ 总线接收与处理任务和步进 电机驱动任务的执行过程，初始化完成后，主程序发 起 Ｃ Ａ Ｎ 总线接收和处理任务及步进电机驱动任务， 两个任务先后进入等待信号量和等待消息队列的状
图 ２ Ｊ１９３９ Ｐ Ｄ Ｕ 结构
点。每个 Ｃ Ａ Ｎ 数据帧只能包含一个 ＰＤ Ｕ 。值得注意 的形式进行传输，而一个 ＰＤ Ｕ 包含 ８ 个字节数据，
的是，对于某些参数组，必须使用两个以上的 Ｃ Ａ Ｎ 因此，需要对这些参数进行组合。在 Ｊ１９３９ 应用层协
数据帧发送［４］。
议中还详细定义了参数组，包括每组参数的更新
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元 ＃１，发动机转速占据次参数组的第 ４、５ 字节。按 照定义，该组参数的更新率与实际发动机转速相关， 即发动机转速越高则更新应越快。
若收到来自发动机控制单元的数据为 ０Ｃ Ｆ０ ０４ ００ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ ４Ｆ ５５ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ （Ｘ Ｘ 表示任意数 据），其中前四个字节为 ２９ 位标识符，后 ８ 个字节 为数据域，数据域中第 ４、５ 字节表示发动机转速，根 据这两个字节的数值及 ｓｐｎ１９０ 中的定义即可算得 发动机转速：
见的。这些域包括：ＳＯ Ｆ（帧起始）、ＳＲ Ｒ（替代远程 叠［５］，协议按照以下原则对参数进行分组：①按照
请求）、ＩＤ Ｅ（识别符扩展）、Ｒ ＴＲ（远程请求），部分 Ｅ Ｃ Ｕ 所属子系统分组 （Ｅ Ｃ Ｕ 用于测量和发送数
控制域、Ｃ Ｒ Ｃ（校验域）、Ａ Ｃ Ｋ（应答域）及 Ｅ Ｏ Ｆ（帧 据）；②按照参数组中的参数更新率分组（减小不
Ｃ Ａ Ｎ ２．０Ｂ 的基础上选择合适的应用层协议。 ＳＡ Ｅ Ｊ１９３９ 是以 Ｃ Ａ Ｎ 为基础涉及了应用层的
上层协议， 是目前最有实用参考价值的车用网络协 议。它对汽车内部 Ｅ Ｃ Ｕ 的地址配置、命名、通讯方式 以及报文发送优先级等都作了明确的规定，并对汽 车内部各个具体的 ＥＣＵ 通讯内容作了详细说明。 ＳＡ Ｅ Ｊ１９３９ 协议更大程度地发挥了 Ｃ Ａ Ｎ 优异的性 能。
分压
Ａ ／Ｄ 转换
Ｍ ＣＵ
ＬＣ Ｄ 、ＬＥ Ｄ
１ 汽车仪表总体设计
开关量
汽车仪表上需要显示的信号包括：车
光电隔离
转速传感器
速、转速、水温、油量以及各种开关量报警
图 １ 汽车仪表总体结构
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２ ＣＡＮ 总线及 ＳＡＥ Ｊ１ ９３９ 协议分析
２．１ Ｃ Ａ Ｎ 总线及 Ｓ Ａ Ｅ Ｊ１９３９ 协议介绍 Ｃ Ａ Ｎ （Ｃ ｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａ ｒｅａ Ｎ ｅｔｗ ｏｒｋ）总线是德国 Ｂ ｏｓｃｈ 公司在 ８０ 年代初为解决数据可靠交换而开发的一 种串行数据通信总线［３］，它强调了实时性，又具有极 高的可靠性和独特的设计， 在现代汽车中已经成为 必备装置。为进一步减少车身线束，方便故障诊断， 满足主要电控单元和系统间大量数据信息实时交换 的需要，使汽车各方面性能趋于最佳状态，基于 Ｃ Ａ Ｎ 总线的 Ｃ 类网络被应用于车内数据通讯。Ｃ Ａ Ｎ 总线有效地将发动机电控系统、驱动防滑系统、自动 巡航系统等连接成为一个综合控制系统，使整车性 能得以大幅提高。 根据 ＩＳＯ 定义的 Ｏ ＳＩ 模型，Ｃ Ａ Ｎ ２．０Ｂ 规范定义 了物理层和数据链路层规范，这为不同的 Ｃ Ａ Ｎ 总线 用户制定符合自身需要的应用层协议提供了很大的 便利，如果需要建立更加完善的系统，还需要在
Ｃ Ａ Ｎ 数据帧中的某些域并未在 ＰＤ Ｕ 中定义， 率、有效数据长度、数据页、ＰＤ Ｕ 格式、ＰＤ Ｕ 细节、默
这是因为这些域已经在 Ｃ Ａ Ｎ ２．０ 规范中明确定义， 认优先权及参数组的内容，并为每个参数组分配一
并且对于数据链路层以上的 Ｏ ＳＩ层，这些域是不可 个参数组编号（ＰＧ Ｎ ）。为最大程度地减小数据的重
ＳＨ Ｏ Ｒ ＴＤ Ｅ ＬＡ Ｙ Ｏ ｕｔｐｕｔ（Ｏ ＿Ｍ Ｏ Ｔ，ＦＣ ，１）； ＳＨ Ｏ Ｒ ＴＤ Ｅ ＬＡ Ｙ Ｏ ｕｔｐｕｔ（Ｏ ＿Ｍ Ｏ Ｔ，ＦＣ ，０）； ｄｅｌａｙｍ ｓ（１）； ｝ … 为防止步进电机失步，其每转动一步，必须进 行 １ 毫秒左右的延时，因此，如果车速迅速上升或 下降，导致显示车速的步进电机需要转动 １００ 步以 上，则完成这一段的电机驱动需要超过 １００ 毫秒的 时间，且这一段时间内 Ｃ ＰＵ 无法再执行其他任务， 而根据 Ｊ１９３９ 协议，发动机转速等数据的发送间隔 为 ５０ 毫秒，因此在这 １００ 毫秒的时间内，仪表可能 已经错过两次发动机转速数据，这（下转第 １３ 页）
控制器局域网 Ｃ Ａ Ｎ （Ｃ ｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａ ｒｅａ Ｎ ｅｔｗ ｏｒｋ） 信号（机油压力报警、燃油报警、水位报警、Ａ Ｂ Ｓ 故
作为一种可靠性极高、价格低廉、技术成熟的现场总 障、水温报警、左右转向指示等）。在本系统中，水温
线在国内外得到了广泛的应用。在汽车行业 Ｃ Ａ Ｎ 总 及 转 速 信 号 将 依 照 ＳＡ Ｅ Ｊ１９３９ 协 议 从 Ｃ Ａ Ｎ 总 线
的每个参数，包括其数据长度、数据类型、分辨率、范 来自发动机电控单元。在 Ｊ１９３９ 应用层协议中定义
围 及 参 考 标 签 ， 并 为 每 个 参 数 分 配 了 一 个 编 号 了参数 ｓｐｎ１９０ 为发动机转速，并规定其所属的参数
（ＳＰＮ ）。由于 Ｊ１９３９ 协议是以协议数据单元（ＰＤ Ｕ ） 组号为 ｐｇｎ６１４４４，ｐｇｎ６１４４４ 参数组为发动机电控单
２５０Ｋ ｂｉｔ／ｓ 的通讯速率。
传感器的信号首先经过分压，然后通过 Ａ ／Ｄ 转换由
对于现代汽车而言，汽车仪表是汽车信息的中 模拟信号转换为数字信号输入到单片机；其他开关
心，集中、直观、迅速地反映了汽车在行驶过程中的各 量经过光电隔离后直接输入到 Ｍ Ｃ Ｕ 。
种动态指标，如行驶速度、里程、电系状况、制动、压
表的数据采集功能，另一方面利用 Ｃ Ａ Ｎ 总 线技术，使该仪表成为车身网络的一部分， 集中处理来自其他电控单元的数据，且其
发动机转速、冷却水温度数据
Ｃ Ａ Ｎ 模块
通讯符合 ＳＡ Ｅ Ｊ１９３９ 协议，可以与汽车上其 转速传感器
滤波、整形
光电隔离
步进电机
他按照此协议工作的电控单元进行通讯。
油量传感器
为基础、以 Ｃ Ａ Ｎ ２．０Ｂ 作为网络核心协议的车辆网络 图 １，转速传感器发出的脉冲信号经过滤波整形电
串行通信和控制协议［２］。它是目前在国内汽车行业中 路及光电隔离后输入到单片机的外部中断引脚，
应用最广泛的 Ｃ Ａ Ｎ 总线应用层协议，可以达到 Ｍ Ｃ Ｕ 通过脉冲进行定时计数计算出当前车速；油量
发动机转速 ＝ 原始数×分辨率 ＋ 偏移量 ＝ ２０３０９×０．１２５ ＋ ０ ＝ ２５３８．６２５ ｒｐｍ 。
同理可以计算出其他汽车仪表所需数据。根据 计算出的数值，仪表 Ｅ Ｃ Ｕ 即可驱动显示部件准确地 显示当前的车辆状态。
态。Ｃ Ａ Ｎ 总线中断产生后，中断服务程序释放信号 量，使 Ｃ Ａ Ｎ 总线任务进入就绪状态，在其获得 Ｃ ＰＵ 使用权后，对总线数据进行处理并将数据发送到消 息队列，从而使得步进电机驱动任务进入就绪状 态，电机任务通过任务调度获得 Ｃ ＰＵ 使用权后，根 据消息队列中的数据计算电机所需步数并驱动电 机旋转。