中文信息在车载网络CAN总线中的传输研究

杜贵锋，李 锐，王远波，郭惊宇，王 龙

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

随着汽车智能化、网联化的发展，人与车、人与后台之间进行实时信息交互的应用需求变得越来越多，这种信息交互是通过文字信息、图形信息或音频视频信息进行的，因此，研究文字信息，特别是中文文字信息在车载网络中的传输具有非常重要的现实意义［1］。

中文文字信息在车载网络中的传输，主要涉及中文文字信息编码类型，以及大块的文本信息 （CAN总线中指数据长度大于8个字节）通过传输协议进行传输两部分内容。

1 中文信息文字编码

文字信息的传输和存储基础是标准字符集，字符集也叫字库或语言编码，常用的语言编码有UTF-8和GBK。UTF-8是国际编码，俗称万国码，几乎包含全世界所有国家需要用到的语言编码 （相当于一个大字库），比如日文、韩文等都可以用，具有很好的通用性；GBK编码是中国制订的，是汉字国标GB2312-80标准的扩展。GBK编码共收录汉字和图形符号21886个，其中汉字 （包括部首和构件）21003个，图形符号883个。

GBK与UTF-8编码方式不同，GBK的文字编码是用双字节来表示的，即不论中、英文字符均使用双字节来表示，只不过为区分中文，将其最高位都定成1，其编码范围：8140－FEFE；而UTF-8编码，它对英文使用8位 （即一个字节），中文使用24位 （3个字节）来编码。对于使用中文较多的情况下使用GBK可以节省空间，而对于英文字符较多的使用场景则用UTF-8资源配置更加合理［2］。

主机厂可根据车辆的市场定位、销售区域，使用不同的编码。如果车辆为面向国际的销售，采用UTF-8编码较为合适；如果国内是主销，则GKB节约资源。或者在平台设计时两种编码都配备，根据车辆最终用户情况，在车辆下线时进行配置，选定使用文字编码的类型。具体采用哪种方式，如何配置，应在构建整车电子电器EE架构平台时进行规划设定。

2 CAN总线传输协议

当前车载骨干网络为CAN总线，CAN采用短帧结构，适用于控制信息的传输，实时性强，可靠性高。如果要传输超过8个字节的数据信息，则需要通过传输协议进行。传输协议的主要功能就是在发送端将大块数据拆分成若干小段，从而满足CAN总线每帧只能传输8个字节的要求，一般称为拆包；接收端收到数据后，按传输协议将数据组合还原，也称为组包。

常用的CAN总线传输协议，主要有两种：一是SEA J1939标准中在数据链路层J1939-21定义了多包传输协议，另一个是UDS标准中在网络层ISO15765-2中实现多包传输的功能。SEA J1939用于常规数据通信，也用于SEA J1939诊断，ISO 15765-2主要用于UDS诊断。

2.1 J1939传输协议

SEA J1939协议定义了一个专用的PGN参数组 （60610（00EB0016））来传输拆分后的数据，数据传送报文TP.DT的参数组中，数据域的第1个字节用作消息帧的序号，后7个字节用来存放有效数据。单次可以发送255×7=1785个字节的数据。协议定义了点对点传输和广播传输两种形式。

1）点对点传输。发送节点和接收节点之间虚拟连接的建立与关闭，传输协议包含的帧格式大致分为2类：TP.CM和TP.DT。在TP.CM中定义了5种帧格式：发送请求帧 （TP.CM_RTS），准备发送帧 （TP.CM_CTS），结束应答帧 （TP.EndofMsgACK），连接失败帧 （TP.Conn_Abort）以及用来全局接收的广播帧 （TP.CM_BAM）。TP.DT用于具体数据传送。发送请求帧 （TP.CM_RTS）用于发送节点 （A节点）向目的节点 （B节点）发送请求与之建立通信连接，准备发送帧（TP.CM_CTS）是B节点向A节点表示已答应其请求并做好了数据接收准备，至此A、B节点之间的通信连接建立完毕，接下来A节点就通过数据帧TP.DT向B节点持续发送数据帧，在最后一帧信息发送完毕后，A节点会发送一个消息结束应答信息 （TP.EndofMsgACK），然后在一定时间后A、B节点会断开连接；若发送双方在传输过程中任一方出现故障（超时、故障、资源不足等）均可发送连接失败帧 （TP.Conn_Abort）来断开连接。

2）广播传输。如果消息是发送到多个节点或者是全局，则不需要数据流控制和关闭的管理功能，只需要通过广播消息来通知消息的发送即可。SEA J1939-21定义了一个专用的PGN参数组 （60416（00EC0016））用于多包传输的连接管理。该报文中，数据域的首字节为控制字节，通过改变控制字节的数据可以实现不同的控制功能，完成数据传输过程的连接管理。发送节点首先要发送一条广播公告消息TP.CM_BAM，向其他节点申明自己要发送多包消息，之后直接开始发送数据，而不必等待接收节点的响应，数据发送完毕后也不关闭连接［3］。J1939多帧传输如图1所示。

图1 J1939多帧传输

2.2 ISO 15765传输协议

通过ISO 15765的网络传输协议也可实现对大块数据的传输。该协议是通过一个控制信息PCI（Protocol control information传输控制协议）来完成大块数据的拆分、组装的，通过PCI将数据分为单帧 （SF）、第1帧 （FF）、连续帧 （CF）和流控制帧 （FC）4种类型的消息帧，通过数据域的PCI区别帧功能类型，其数据结构见表1。

表1中：如果CAN消息的数据域的第1个字节的7-4位为0，即N_PCItype=0，则为单帧 （SF）；如果CAN消息的数据域的第1个字节的7-4位为1，即N_PCItype=1，则为首帧（FF）；如果CAN消息的数据域的第1个字节的7-4位为2，即N_PCItype=2，则为连续帧 （CF）；如果CAN消息的数据域的第1个字节的7-4位为3，即N_PCItype=3，则为流控帧 （FC）。

流控帧就是告诉发送节点如何发送剩下的数据，FS为数据流传输的状态信息，当FS=0时，代表接收方已经准备就绪，发送方可以发送序列帧；当FS=1时，发送方继续等待流控帧且复位N_BS的超时定时器；当FS=2时，代表接收方的内存不够，发送方须结束数据传输。BS为接收方发送一个流控帧后可以接收连续帧的数量，当BS=0时，接收方不再发送流控帧，发送方可以持续发送直到数据传输完成。ST为连续发送连续帧的最小时间间隔［4］。ISO 15765单帧传输与多帧传输如图2所示。

图2 15765单帧传输与多帧传输

3 中文信息在CAN总线系统中传输

一般来讲，人机、人与后台之间的信息交互，大段的文字信息数量较少，类似短信、微信量级的居多。大段中文文字传输应用场景，一般在FOTA时升级或后台进行资讯推送时可以用到，在FOTA升级中，特别是在商用车中，FOTA还是个新鲜事物，车主们难免会对远程升级FOTA心存顾虑，因此，FOTA升级前需要将升级原因等相关资讯的信息全面、完整地推送给车主，有利于驾驶员进行积极配合，获取升级授权，使得FOTA升级得以顺利进行。全面、完整的升级资讯传输，势必需要大段的文字信息来进行表述［5］。

3.1 车载网络CAN总线中文信息传输时间以及对总线负载的影响

信息传输时间，按GBK编码，每个汉字占2个字节，按推送500字提示信息计，传输总数据量为1 000字节，按每帧传输7个字节计，需要传输的帧数=1 000／7+1=144帧，如果定义连续帧之间的传输时间间隔为50 ms，所需的传输时间为：144×50=7 200 ms=7.5 s，传输1 000字的提示信息需要15 s。CAN总线波特率按照500k计，传输时总线的负载约增加0.6%左右，对于250 k的波特率，负载增加也不会超过1.5%，对总线负载影响很小。如果选择在整车15下电后，车载终端启动对多媒体进行传输，相当于将整车的休眠时间推迟15 s。

3.2 传输协议选择

两种多包传输协议虽然在实现方式、最大传输数据量、超时、错误处理等方面存在着较大的差异，但是二者基于对数据拆包、组包及连接控制的核心思想都是相通的，都是为了实现多包传输功能。ISO 15765-2一般应用在乘用车领域；而SEA J1939-21主要应用于中大型货车和客车。SEA J1939-21传输协议在传输模式、实现策略上更为复杂，对于主机厂、供应商等开发应用者来说更难于理解、应用。ISO 15765-2定义的数据结构相比更为紧凑，对数据域的利用率也更高，在传输同等数据量的情况下，传输效率更高。ISO 15765-2支持的最大数据长度为4095B，优于SEA J1939-21的1785B。从技术角度分析，ISO 15765-2的传输协议优于SEA J1939-21定义的传输协议［6］。

对于乘用车，一般较少使用SEA J1939协议，因此采用ISO 15765-2网络层传输协议进行文字的传输是最经济的选择。

对于商用车，基本采用的是SEA J1939协议，UDS用于离线诊断，因此，中文信息的传输可以采用SEA J1939-21传输协议，也可以采用ISO 15765-2协议进行。一般对于类似短信、微信级别的文字信息传输，可以用SEA J1939协议进行传输。对大块的文字传输，如FOTA前的信息交互提示，因为传输的时间等因素，建议采用ISO 15765-2协议，在车辆下电情况下进行传输。

4 结束语

中文信息传输的实现，可显著提高车辆人机交互的主观感受，提升车辆的智能化水平。文中就传统汽车网络CAN总线上实现中文信息的传输，特别是大块的中文信息，在E-E架构设计时，所涉及的传输协议、文字编码、传输时机的选择以及对总线负载的影响进行了分析。研究表明，大块的中文信息在车载网络CAN总线中传输是切实可行的。