跃钢 周、Dongfeng Motor Corporation
J1939プロトコルをCANバス通信プラットフォーム設計に統合する。
NI LabVIEWシステム開発ソフトウェアとNI PXI CAN通信モジュールを使用して、J1939プロトコルIDをフィルタ処理し、プロトコル形式に従って複数のフレームを送受信する方法を設計し、CAN通信プラットフォームを構築します。また、完全な車両HIL (Hardware-In-the-Loop) 電気環境シミュレーションを実装し、CANバスメッセージの送受信、ストレージ、およびリアルタイム表示を含むエンジンベンチテストプラットフォームを構築しました。
中国の自動車排ガス規制「国3」～「国4」基準を満たすすべての商用車では、車両ECU (VECU)、エンジンECU (EECU)、ATボックスECU、計器ECU、アンチロックブレーキシステムECUなどの電子制御装置 (ECU) 間の通信にCANバスを使用しています。車両制御ネットワークは、マルチポイント制御ユニット (MCU)、CANコントローラ、MCUノードCANトランシーバ構造を組み合わせて、J1939プロトコルに基づく商用車用CANバスを実装しています。PC、CAN通信モジュール、ソフトウェアを含む路上テスト、エンジンベンチテスト、車両電気環境HILシミュレーションテスト用の既存のソリューションは、非常に高価です。
CAN 2.0 B仕様の産業用バスメッセージの識別子やデータフレームは共通の定義がないため、パラメータは任意です。商用車のCANバス通信仕様は、CAN 2.0 Bに基づくSAE J1939プロトコルに準拠しています。現在、国内の自動車業界向けのPXI制御デバイスアプリケーションには、LabVIEWとJ1939プロトコルに基づくCANバス通信方法が存在しないため、LabVIEWソフトウェアと複雑なJ1939プロトコルを組み合わせて、メッセージのフィルタ処理、受信、統合、再結合、送信の実現を目指しました。
商用車のCANバスネットワークの特性を考慮し、LabVIEWとJ1939プロトコルをベースにCANバスプラットフォームを構築し、エンジンベンチおよび車両電気環境HILテスト用にNI PXIモジュール式インタフェースデバイスに組み込みました。
J1939プロトコルは、CAN 2.0 B仕様に基づいています。CAN 2.0 B拡張フレームの29ビットIDは、図1に示すように、優先度 (P)、予約されたビット (R)、データページ (DP)、プロトコルデータユニット (PF)、拡張ユニット (PS)、ソースアドレス (SA)、データフィールドを含むJ1939コード体系を形成するように定義されています。オープンシステム相互接続 (OSI) 参照モデルアプリケーション層は7つの部分に分かれており、プロトコルデータユニット (PDU) を介して1つ以上のCANデータフレームにカプセル化され、物理層を介してバスネットワーク内の他のデバイスノードに送信されます。
CAN 2.0 Bデバイスのさまざまな機能は、同じIDを使用して異なるメッセージ情報を送信するため、特定のメーカーのプロトコルに従って選択されたCANデバイスでは、システム統合時にIDが認識されなかったり一致しない場合があります。J1939プロトコルの各メッセージフレームには固有の識別子とPGNがあり、各ノードに固有の送信元アドレスを割り当て、送信元アドレスをCAN識別子にマッピングすることで、複数のノードが同じ識別子を使用することを回避します。たとえば、ID: 0CF00400はエンジン速度とトルクメッセージを表します。
CAN 2.0 B仕様は、OSI参照モデルの7層でデータリンク層を定義しており、図2に示すように低レベルの規格であることを表します。CANバス製品は通常、互換性、相互交換性、および統合性が劣っています。逆に、J1939はOSI参照モデルのアプリケーション層に基づく上位プロトコルであり、車両のアプリケーション信号 (パラメータ) とメッセージ (パラメータ群) が定義されています。信号はパラメータによって記述され、各パラメータにはSPN (Suspect Parameter Number) が割り当てられます。これらのパラメータは、PDUデータフィールド内のデータバイトの物理的な意味を定義します。たとえば、SPN190はエンジン速度を表します。
CAN 2.0 B仕様は単一フレームのメッセージのみを送信できますが、J1939プロトコルはダイアログやブロードキャストを含む単一および複数フレームのメッセージを送信できます。J1939は、複数フレームのデータ伝送プロトコルに従って、メッセージをパック、送信、受信、合成、および再構成できます。
モジュールインタフェースは、NI PXI CANデュアルポートトランシーバ、SJA1000T CANコントローラ、TJA1041T高速CANトランシーバ、TJA1054AT低速CANトランシーバで構成されています。J1939プロトコルのデータリンク層は、PDU形式でメッセージをパックし、CANデータフレームの同期、シーケンス制御、エラー制御、フロー制御を実行します。
J1939物理層プロトコルでは、各ネットワークセグメントに以下が含まれます。
さらに、CANバストランシーバは、CANバスとMCU間の電圧レベルを変換します。
図3に示すように、J1939プロトコルのマルチタスク処理フローに基づくCANバスメッセージは、生産者ループおよび消費者ループ構造を使用します。生産者ループは「要素をエンキュー」関数を使用してメッセージクラスタキューにデータを追加し、消費者ループは「要素をデキュー」関数を使用してメッセージクラスタキューからデータを移動します。キューはループ間で通信し、複数タスク間の競合を回避します。データ生成の速度がデータ消費の速度よりも速い場合、キューバッファはメッセージデータの損失を回避します。
図4に示すように、メッセージ受信テスト用にHIL車両電気環境シミュレーションに、LabVIEWとJ1939プロトコルをベースとしたCANバス通信プラットフォームを実装しました。同時に、Vector CANoeモジュールとの比較を行いました。図7は、安定して動作しているエンジンから受信したEECUメッセージを示しています。1秒間に、システムはEECUから526フレームのメッセージを損失なく受信できます。
エンジン燃費メッセージは、エンジンの燃料効率をリアルタイムで表示します。VECUは、商用車用J1939プロトコルに従ってCANバスネットワークでメッセージを受信し、自動ギアボックスの車両シフトを制御します。複合計器ECUは、このメッセージをリアルタイムで受信および表示し、運転手に適切な運転習慣を促すとともに、最高の燃費を実現するように車両を操作します。エンジンの性能、効率、排ガス規制の最適化を実現するために、EECUのキャリブレーションを実行して、最適なインジェクションパルス幅キャリブレーションパラメータを取得します。キャリブレーションを実行後、EECUのキャリブレーション効果を検証するために比較テストを実施します。
エンジンの定常状態テストでは、一定速度での車両性能を明らかにすることができます。可変動作条件でのエンジンの過渡状態テストは、実際の道路状況におけるエンジン状態をシミュレートします。リアルタイムの燃費メッセージと実際の瞬間燃費測定値を比較することで、EECUの制御性能を判断します。
図8は、10種類の動作条件でエンジンの過渡燃費ベンチテスト曲線を測定した比較を示しています。J1939プロトコルに従ってCANバスで受信および解析されたEECUの燃費メッセージデータは、テストベンチ燃費メータと比較して、エンジンが低負荷で稼働しているときに顕著な差が生じます。そのため、エンジンが低負荷で稼働中は、実際の燃料噴射量は少なくなります。エンジンを低負荷で稼働中に、コモンレールの圧力変動で目標の燃料噴射量と実際の燃料噴射量が大きく異なり、燃料量の変動が発生します。2 つの曲線はほぼ一定しています。CANバスを介して受信したエンジン燃料噴射目標値は、実際の測定値と非常によく似ており、トレンドとタイミングが同期されています。これは、EECUキャリブレーションが最良のインジェクションパルス幅目標値を得たことを意味します。
J1939プロトコルに基づくCANバス通信プラットフォームとNI PXIプラットフォームは、NI CANモジュールを商用車のCANバス通信アプリケーションに実装するための基盤を構築しました。エンジンベンチテスト、車両電気環境シミュレーションHILテスト、フィルタ処理、認識、合成、受信、パッキング、伝送、ストレージ、解析、計算、およびリアルタイムCANバスメッセージ表示の実現など、将来の応用が期待できるプラットフォームです。
このシステムは、LabVIEWによる強力な数式処理解析とキュー処理、NI PXIデバイス、過酷な車両テスト環境に適したCANインタフェースモジュールにより、複数のテスト条件で必要となるCANバスメッセージ情報解析機能を提供します。NI PXIデバイスによって集録されたメッセージデータのサンプリング同期を示します。比較解析により、テストデータのリアルタイムパフォーマンスと信頼性が証明されます。
跃钢 周
Dongfeng Motor Corporation
中国
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