基于J1939 协议多包报文的时序研究及应用

潘文卿，付雨鑫，任 飞

（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061）

基于J1939协议的多包报文主要有故障诊断相关报文DMx，例如DM1是记录当前故障信息，属于周期发送的报文，发送周期是1s，DM2是记录历史故障信息的报文，属于PGN请求类报文，在收到PGN请求的时候才会发送此报文。其他的报文还有描述发动机配置信息的EC报文，描述缓速器配置信息的RC报文，EC和RC报文的固定周期是5s，其中当转速或者扭矩百分比变化10%的时候会事件触发1次，但是周期不会快于500ms。还有其他PGN请求类的多包报文，例如描述组件信息报文CI、软件信息报文Soft。这些报文都会通过BAM广播报文和PACK数据包报文发送，所以如何实现不丢包有序发送，时序配置管理非常关键。

1 J 1939协议

1.1 PGN定义

标准的J1939协议的地址为29bits，扩展帧地址如图1所示，包含P优先级，长度是3bits，优先级范围为0～7，0为最高优先级，7为最低优先级；R保留位1bit，DP为数据页，长度是1bit；PF为PDU格式，长度是8bits；PS为PDU细节，长度是8bits；SA为源地址，长度是8个bit，表示当前报文是哪个控制器发出的，像发动机控制器为0x00，变速器控制器为0x03。当PF的范围在0～239之间，即0x00～0xEF，PS为目的地址，PGN=PF×256；当PF的范围在240～255之间，即0xF0～0xFF，PS为组扩展GE，PGN=PF×256+GE。

图1 J1939协议扩展帧地址格式

以表1为例，报文Msg1和Msg2的PF为0xDA，小于0xF0，所以PGN都是0xDA00，Msg1的目的地址是0xF1，源地址是0x00，表示是控制器0x00发给控制器0xF1的报文，是点对点的报文；Msg2的目的地址是0x17，源地址是0xF1，表示Msg2是控制器0xF1发给控制器0x17的报文，同样也是点对点的报文；Msg3的PF为0xF0在0xF0～0xFF范围内，所以PS的值0x23为组扩展GE，所以PGN为0xF023，源地址SA为0x3D，这是一条广播式报文，发送到总线上，只要有接收需求的控制器节点都可以获取到此报文的信息。

表1 报文地址＆PGN

1.2 多包报文

基于标准的J1939协议，每条报文最多发送8个字节的数据，如果报文的内容超过8个字节，需要用多包报文进行传输。多包报文需要2条报文：一个是广播报文BAM，一个是数据包报文PACK。两个报文的定义如表2和表3所示。

表2 BAM报文定义

表3 PACK报文定义

BAM和PACK的报文发送时序为：先发送一条BAM报文广播当前报文的总字节数，接下来要发送PACK的包数，以及此条报文的PGN参数，然后是数据包PACK报文，PACK报文的第1个字节表示当前数据包PACK报文的包数，报文的接收方会根据收到的BAM报文的PGN参数群编号和全部数据包数，有效数据字节数进行校验判断，接收到的数据包数和BAM中声明的是否一致，如果不一致可能会存在丢数据、数据不完整等问题，会提示接收错误。

当前PGN的BAM报文和上一条同PGN的BAM报文的时间间隔为此条PGN多包报文的周期用T表示，BAM和第1条PACK的时间间隔用T表示，数据包PACK之间的时间间隔用T表示。T是报文的周期是固定的，T的时间和T可以通过标定量来实现自主标定，本论文是基于T=T=50ms进行设计的。

多包报文的错误处理机制设定：以DM1报文为例，说明当多包报文出现不同情况下的超时或者丢帧时的处理机制。接收方如果在4个T周期内未收到DM1的BAM报文，就会报出DM1报文超时的故障。如果收到了BAM报文，在4个T周期内如果没有收到T报文，就会报出DM1报文BAM2PACK超时的故障。如果其中一个中间的PACK报文后面4个T周期未收到下一个PACK报文，就会报出DM1报文的PACK2PACK报文超时的故障。如果中间的PACK报文丢了一个或者两个，就会报出DM1报文PACK报文丢帧的故障。如上的故障报出后，都会触发错误处理机制，比如当前报文丢弃，沿用上一个周期的报文数据保持不变。

2 多包报文的时序研究

表4为多包周期报文信息，包含：DM1报文、EC报文、RC报文的报文地址，PGN，周期，字节数和包数。DM1报文按照J1939-73的规定，一个故障码使用4个字节，故障系统中每次最多可以记录20个故障，即82个字节，12包数据，但是一次同时出现20个情况比较少见，论文中以10个故障，42个字节为例。我们看到像DM1报文的地址0x18FECA00是不存在的，多包报文实际上只有BAM报文和PACK报文，接收方按照J1939多包报文的协议进行组合，会显示解析到的0x18FECA00报文以及所有的数据。

表4 多包周期报文信息

DM1报文的周期是1s，EC报文和RC报文的周期是5s。每5个周期，DM1和EC，RC报文就会同时出现在一个周期中。设定EC报文的BAM报文相较于DM1报文的BAM时间间隔为T，用于研究DM1发送完成BAM后间隔多久开始发送EC报文的BAM报文；RC报文的BAM报文相较于DM1报文的BAM时间间隔为T，用于定义RC报文的BAM报文相较于DM1报文的BAM报文后的发送时机。

2.1 3个周期报文的时序研究

如图2所示，T为390ms，T为790ms，DM1报文的一帧BAM报文和6帧PACK报文使用300ms即可发送完毕，最后一帧PACK（330.355537s）发送完毕后推迟90ms再发送EC报文的BAM报文（330.445528s），RC报文的BAM报文（330.845486s）与DM1的BAM报文（330.055545s）间隔是790ms，此时RC报文的BAM（330.845486s）与EC报文的最后一帧PACK报文（330.745516s）的时序间隔为100ms，这样EC报文与RC报文的时间间隔有些浪费，可以进一步修正。

图2 DM1＆EC＆RC报文的时序1

将T设定为310ms，T为620ms，将EC报文的BAM 报 文（2777.021331s）与DM1 最 后 一 帧PACK 报 文（2777.011292s）的 时 间 间 隔 和RC 报 文 的BAM 报 文（2777.021331s）与EC 报 文 最 后 一 帧 的PACK 报 文（2777.011292s）的时间间隔都设定为10ms，这样会减少时序的浪费，如图3所示。在报文都会有序发送的情况下，此方案是对时序的最佳设计，但是如果报文有延时，或者周期任务执行时有延时，对报文时序也会有影响。

图3 DM1＆EC＆RC报文的时序2

当故障诊断系统出现当前最大故障个数20个故障码的时候，DM1会有82个字节，12包数据，加上EC报文和RC报文的数据总共是21包数据，在1s的DM1时间周期内不能完成数据完整发送，所以，鉴于DM1报文的数据长度不固定性，为了达到时序的最优设置，可以将EC报文和RC报文拆开，分别放到两个DM1周期中，将T设定为600ms，T为1600ms，如图4所示。为DM1报文的可变包数留足空间，发 送 完 第1 个DM1 的BAM 报 文（567.938838s）后，间 隔600ms发送EC报文的BAM报文（568.538814s），在此周期内不再发送RC 报文，在第2 个DM1 报文的BAM 报文（568.938772s）后，间隔600ms再发送RC报文的BAM报文（569.538732s），此时RC报文的BAM报文（569.538732s）与第1个DM1报文的BAM报文（567.938838s）间隔1600ms。这样可以很好地避免DM1突然增加数据包数而导致后面的EC或RC报文丢失的问题，同时还为突然而来的PGN请求的多包报文留下发送的空间，可以达到最优时序配置。

图4 DM1＆EC＆RC报文的时序3

2.2 PGN请求多包报文的时序研究

在DM1报文、EC报文、RC报文周期发送的过程中，如果收到PGN请求报文时，会如何响应，接下来分如下几种情况进行分析。

1）第1种情况：如图5所示，在DM1报文的最后一帧PACK报文（3940.932138s）发送完成后，收到了PGN请求DM2报文（3941.386074s），此时会及时响应DM2报文，后面的EC报文和RC报文就不会再发送了，而是重新发送DM1报文（3941.632075s），再按照时序的设定发送后面的EC报文和RC报文。

图5 DM1报文后面收到PGN请求报文

2）第2种情况：如图6所示，PGN请求报文（5.026737s）在EC报文的BAM报文（4.093637s）之后收到，此时控制器会先回复一个否定响应，然后EC报文废弃，后面的PACK报文不再发送，而是接着发送DM1报文（5.783483s）。在发送DM1报文的第4包PACK报文（5.983489s）和第5包PACK报文（6.033486s）之间收到PGN请求报文（6.101697s），此时影响DM1报文后面的PACK报文继续发送，发送完成DM1后，发送PGN请求的DM2报文（6.103468s），DM2报文发送完成后，会重新发送DM1报文（6.7834132s），然后继续发送EC报文。也就是说，在BAM报文后发送PGN请求报文时，不予响应，废弃当前的多包周期报文，也不响应请求的多包报文，而是从DM1报文重新发送。在DM1报文的PACK报文之间收到PGN多包报文请求时，待DM1报文的PACK报文发送完毕之后，会继续响应被请求的多包报文，被请求的多包报文发送完毕之后，先发送DM1报文再按照时序发送EC、RC周期报文。

图6 BAM之后收到PGN请求报文

3）第3种情况：在非DM1报文的PACK报文之间收到PGN请求报文，如图7所示。此时会回复一个负响应，继续完成PACK报文的发送，不能影响当前的报文有序发送，待报文发送完成后，之前的PGN请求报文也不再发送了，会继续按照设定的多包报文的时序完成DM1报文、EC报文和RC报文的发送。此时序的设置是因为EC和RC的发送都是基于DM1的BAM报文做的时序偏移，不能影响DM1报文的周期发送。

图7 RC报文PACK之间收到PGN请求报文

所以在固定周期的多包报文发送的过程中，不同的时间段收到PGN请求报文会有不同的处理机制，在不影响周期最小的多包报文的前提下完成PGN请求多包报文的发送。

3 结论

本文基于标准的J1939协议，完成了DM1报文、EC报文和RC报文3条固定周期的多包报文的时序设定机制的研究，考虑到DM1报文的长度是可变的，又考虑到上一个报文的PACK与当前报文的BAM报文的时间间隔最优设定设置了DM1、EC、RC3条报文的最佳时序配置。同时考虑到还有部分PGN请求报文在不同时间段进行事件触发，设定了不同的处理机制。DM1报文是周期最小的多包报文，周期时序的设置和PGN请求的不同处理机制都是以对DM1报文影响最小的前提下做的处理机制设定，为多包报文的有序完整发送提供了理论和实践数据基础。