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news 来源：原创 2025/4/26 2:13:30

AUTOSAR SAE J1939 传输层详解

基于 AUTOSAR 规范的 J1939 传输协议模块分析

目录

  • 1. SAE J1939 传输层概述
    • 1.1 模块定位与功能
    • 1.2 J1939TP 在 AUTOSAR 中的位置
  • 2. J1939TP 模块架构
    • 2.1 架构概览
    • 2.2 接口说明
  • 3. J1939TP 状态机设计
    • 3.1 主要状态定义
    • 3.2 状态转换流程
  • 4. 传输协议分析
    • 4.1 CMDT 连接模式
    • 4.2 BAM 广播模式
  • 5. 配置结构
    • 5.1 配置类层次关系
    • 5.2 主要配置参数
  • 6. 总结

1. SAE J1939 传输层概述

1.1 模块定位与功能

SAE J1939 传输层（简称 J1939TP）是 AUTOSAR 通信栈中的一个关键组件，专门负责实现基于 SAE J1939 标准的传输协议功能。SAE J1939 是广泛应用于商用车辆和工业设备的通信协议，特别适合于复杂的车辆和机械系统。

J1939TP 模块的主要功能包括：

  • 支持大于 8 字节数据消息的分段与重组
  • 实现两种传输模式：广播公告模式（BAM）和连接模式数据传输（CMDT）
  • 处理传输协议控制消息，如 RTS（请求发送）、CTS（清除发送）和 ACK（确认）
  • 管理传输超时和错误处理
  • 提供标准化的 API 接口，方便上层应用调用

J1939TP 能够处理的最大数据量为 1785 字节，这远超过 CAN 帧的单包 8 字节限制，从而实现了大量数据的高效传输。

1.2 J1939TP 在 AUTOSAR 中的位置

在这里插入图片描述

上图展示了 J1939TP 在 AUTOSAR 分层架构中的位置和与其他模块的交互关系。从架构图中可以看出：

  1. 层次定位：J1939TP 位于 ECU 抽象层中的通信抽象部分，是连接上层通信服务和底层硬件抽象的桥梁

  2. 上行接口：

    • 与 PDU 路由器（PduR）模块交互，接收上层应用的传输请求
    • 提供传输协议服务给诊断通信管理器（DCM）和 COM 模块

  3. 下行接口：

    • 通过 CAN 接口（CanIf）发送和接收 CAN 消息
    • 不直接与 CAN 驱动交互，保持硬件抽象性

  4. 服务交互：

    • 与开发错误跟踪器（Det）接口用于错误报告
    • 与诊断事件管理器（Dem）接口用于诊断事件处理

这种分层设计遵循 AUTOSAR 的模块化原则，使 J1939TP 能够独立于具体硬件实现，便于在不同平台间移植。

2. J1939TP 模块架构

2.1 架构概览

J1939TP 模块架构遵循 AUTOSAR 基础软件的标准结构，包含明确定义的组件、接口和行为。从架构上看，J1939TP 主要包括以下几个核心部分：

  1. 初始化组件：负责模块的初始化和反初始化
  2. 传输管理组件：处理数据传输请求和流程控制
  3. 接收管理组件：处理数据接收和重组
  4. 状态管理组件：维护各通道的状态机
  5. 调度组件：通过主函数周期性执行，处理超时监控

这些组件共同协作，确保 J1939 网络通信的可靠性和高效性。

2.2 接口说明

J1939TP 模块通过以下关键接口与其他模块交互：

  1. 与 PDU 路由器交互的上行接口：

    • J1939Tp_Transmit：接收上层传输请求
    • PduR_J1939TpRxIndication：向上层指示接收完成
    • PduR_J1939TpTxConfirmation：向上层确认传输完成
    • PduR_J1939TpStartOfReception：通知上层开始接收
    • PduR_J1939TpCopyRxData：从 TP 复制接收数据到上层
    • PduR_J1939TpCopyTxData：从上层复制发送数据到 TP

  2. 与 CAN 接口交互的下行接口：

    • CanIf_Transmit：向 CAN 接口发送数据
    • J1939Tp_RxIndication：接收 CAN 接口的数据指示
    • J1939Tp_TxConfirmation：接收 CAN 接口的传输确认

  3. 调度和管理接口：

    • J1939Tp_MainFunction：周期性执行的主函数，由 OS 或 SchM 调用
    • J1939Tp_CancelTransmit：取消正在进行的传输
    • J1939Tp_CancelReceive：取消正在进行的接收
    • J1939Tp_ChangeParameter：动态更改连接参数

这些接口的设计遵循 AUTOSAR 的标准接口规范，确保了模块间的无缝集成和交互。

3. J1939TP 状态机设计

3.1 主要状态定义

在这里插入图片描述

J1939TP 模块实现了一个复杂的状态机来管理传输和接收过程。上图展示了 J1939TP 的状态转换图，主要包括以下状态：

  1. 未初始化状态 (J1939TP_UNINIT)：

    • 模块未初始化，所有服务不可用
    • 这是模块启动时的初始状态

  2. 空闲状态 (J1939TP_IDLE)：

    • 模块已初始化，可以处理传输和接收请求
    • 此状态下没有活动的传输或接收操作

  3. 传输状态：包含多个子状态，用于处理发送过程中的各个阶段

    • 等待 RTS 确认 (J1939TP_TX_WAIT_RTS_CONF)：等待 RTS 消息的发送确认
    • 等待 CTS 接收 (J1939TP_TX_WAIT_CTS_RX)：等待接收方发送的 CTS 消息
    • 等待数据确认 (J1939TP_TX_WAIT_DT_CONF)：等待数据包的发送确认
    • 等待 ACK 接收 (J1939TP_TX_WAIT_ACK_RX)：等待接收方的最终确认
    • 等待 BAM 确认 (J1939TP_TX_WAIT_BAM_CONF)：等待 BAM 消息的发送确认
    • 等待 BAM 数据确认 (J1939TP_TX_WAIT_BAM_DT_CONF)：等待 BAM 数据包的发送确认

  4. 接收状态：包含多个子状态，用于处理接收过程中的各个阶段

    • 等待数据包 (J1939TP_RX_WAIT_DT)：等待数据包的接收
    • 等待 CTS 确认 (J1939TP_RX_WAIT_CTS_CONF)：等待 CTS 消息的发送确认
    • 等待接收完成 (J1939TP_RX_PROCESSING)：正在处理接收的数据

3.2 状态转换流程

状态机的转换由以下事件触发：

  1. 初始化触发的转换：

    • J1939Tp_Init() 函数调用将状态从 UNINIT 转换到 IDLE

  2. 传输请求触发的转换：

    • J1939Tp_Transmit() 函数调用根据传输模式（CMDT 或 BAM）将状态从 IDLE 转换到相应的传输等待状态

  3. 消息接收触发的转换：

    • J1939Tp_RxIndication() 函数在接收到 RTS 或 BAM 消息时，将状态从 IDLE 转换到相应的接收状态

  4. 确认触发的转换：

    • J1939Tp_TxConfirmation() 函数在消息发送确认后触发状态转换
    • 收到 CTS 消息后状态转换到数据发送状态
    • 收到 EndOfMsgACK 后转换回 IDLE 状态

  5. 超时或取消引起的转换：

    • 通过 J1939Tp_MainFunction() 检测到超时
    • 通过 J1939Tp_CancelTransmit() 或 J1939Tp_CancelReceive() 主动取消操作

这种状态机设计确保了 J1939TP 能够正确处理复杂的传输场景，包括正常流程和异常情况处理。

4. 传输协议分析

J1939TP 支持两种不同的传输模式：连接模式数据传输 (CMDT) 和广播公告模式 (BAM)。这两种模式针对不同的通信需求和场景。

4.1 CMDT 连接模式

在这里插入图片描述

CMDT 模式是一种点对点通信模式，建立发送方和接收方之间的连接，并包含确认机制。从上面的序列图中可以看出，CMDT 模式具有以下特点：

  1. 握手过程：

    • 发送方发送 RTS (Request To Send) 消息，包含总消息大小、总包数和最大包数量
    • 接收方回复 CTS (Clear To Send) 消息，指示可接收的包数量和下一个包序号
    • 这种握手确保接收方已准备好接收数据

  2. 数据传输：

    • 发送方根据 CTS 消息指示的数量发送数据包
    • 每个数据包都经过 CAN 接口传输到接收方
    • 每次发送的包数量由接收方通过 CTS 控制，实现流量控制

  3. 确认机制：

    • 接收方在接收到所有数据包后发送 EndOfMsgACK (End of Message Acknowledgement) 消息
    • EndOfMsgACK 包含总消息大小、总包数和成功接收标志
    • 发送方收到 ACK 后向上层指示传输成功完成

  4. 缓冲区管理：

    • 接收方通过 PduR_J1939TpStartOfReception 申请缓冲区
    • 接收方通过 PduR_J1939TpCopyRxData 复制接收到的数据
    • 发送方通过 PduR_J1939TpCopyTxData 获取待发送的数据

CMDT 模式适用于需要可靠传输的场景，特别是对数据完整性有高要求的应用，如诊断服务和参数配置。

4.2 BAM 广播模式

在这里插入图片描述

BAM 模式是一种广播通信模式，发送方向网络广播数据，不需要接收方确认。从上面的序列图中可以看出，BAM 模式具有以下特点：

  1. 无握手过程：

    • 发送方直接发送 BAM (Broadcast Announce Message) 消息，包含总消息大小、总包数
    • 目标地址为全局广播 (0xFF)，所有节点都可接收
    • 不需要接收方回复确认

  2. 单向数据流：

    • 发送方按固定顺序依次发送所有数据包
    • 接收方只负责接收，不发送任何确认或控制消息
    • 发送方无法知道哪些节点接收了数据

  3. 固定时序：

    • 数据包按顺序严格发送，不能改变顺序
    • 发送间隔由 J1939Tp 配置参数控制
    • 没有流控制机制，接收方必须能够接收所有数据包

  4. 传输完成：

    • 发送完最后一个数据包即认为传输完成
    • 发送方向上层指示传输成功完成
    • 接收方向上层指示接收完成

BAM 模式适用于一对多通信场景，如状态广播、多节点参数更新等，其优势在于简化的通信流程和较高的传输效率，但代价是丧失了传输可靠性保证。

两种传输模式的选择取决于应用需求，AUTOSAR 允许根据配置参数选择合适的传输模式。

5. 配置结构

5.1 配置类层次关系

在这里插入图片描述

J1939TP 模块的配置采用 AUTOSAR 标准的层次化结构。上图展示了 J1939TP 的配置类图，包括以下核心配置类：

  1. J1939Tp：顶层配置容器，包含通用配置和特定配置集

    • 包含一个 J1939TpGeneral 类型的实例
    • 包含一个或多个 J1939TpConfig 类型的实例

  2. J1939TpGeneral：通用参数配置类，定义全局参数

    • 超时参数 (Timeout_N_As, Timeout_N_Bs, Timeout_N_Cr, Timeout_T1-T4)
    • 主函数周期 (J1939TpMainFunctionPeriod)
    • 开发错误检测开关 (J1939TpDevErrorDetect)
    • 最大通道和 PDU 数量限制

  3. J1939TpConfig：特定配置集合，定义一组完整的通道配置

    • 包含一个或多个 J1939TpRxPdu 和 J1939TpTxPdu 实例
    • 包含一个或多个 J1939TpRxChannel 和 J1939TpTxChannel 实例
    • 可选的节点地址配置

  4. 通道配置类：

    • J1939TpRxChannel：接收通道配置，定义源地址、目标地址、PGN 等
    • J1939TpTxChannel：发送通道配置，定义源地址、目标地址、PGN 等

  5. PDU 配置类：

    • J1939TpRxPdu：接收 PDU 配置，定义 PDU ID、引用和类型
    • J1939TpTxPdu：发送 PDU 配置，定义 PDU ID、引用、类型和寻址格式

  6. 枚举类型：

    • J1939TpProtocolEnum：协议类型枚举，包括 BAM 和 CMDT 模式
    • J1939TpPduTypeEnum：PDU 类型枚举，包括 REVERSE、CM、DT 和 DIRECT
    • J1939TpAddressingFormatType：寻址格式枚举，包括标准、扩展和混合寻址

5.2 主要配置参数

J1939TP 的关键配置参数包括：

  1. 超时参数：

    • J1939TpTimeout_N_As：CTS 等待超时
    • J1939TpTimeout_N_Bs：数据包等待超时
    • J1939TpTimeout_N_Cr：接收资源分配超时
    • J1939TpTimeout_T1：RTS 控制消息到 CTS 响应超时
    • J1939TpTimeout_T2：发送到接收确认超时
    • J1939TpTimeout_T3：包间隔超时
    • J1939TpTimeout_T4：最后一包到 EndOfMsgACK 超时

  2. 通道参数：

    • J1939TpRxDa/J1939TpTxDa：目标地址
    • J1939TpRxSa/J1939TpTxSa：源地址
    • J1939TpRxPgn/J1939TpTxPgn：参数组号
    • J1939TpRxProtocolType/J1939TpTxProtocolType：协议类型（BAM 或 CMDT）
    • J1939TpRxBufferSize：接收缓冲区大小
    • J1939TpTxMaxPackets：最大包数量
    • J1939TpTxPacketSize：包大小

  3. 功能开关：

    • J1939TpDevErrorDetect：开发错误检测开关
    • J1939TpVersionInfoApi：版本信息 API 开关
    • J1939TpDynamicBlockCalculation：动态块计算开关

这些配置参数通常通过 AUTOSAR 配置工具（如 ECU 配置工具）生成，并保存在配置头文件中供 J1939TP 模块初始化时使用。

6. 总结

AUTOSAR SAE J1939 传输层（J1939TP）是 AUTOSAR 通信栈中的一个重要组件，它实现了基于 SAE J1939 标准的传输协议功能。通过本文的分析，我们可以得出以下结论：

  1. 架构设计优势：

    • 清晰的分层结构，符合 AUTOSAR 标准
    • 明确定义的接口，实现了模块间的松耦合
    • 状态机设计保证了传输过程的可靠性和正确性

  2. 功能特点：

    • 支持多种传输模式（CMDT 和 BAM），适应不同通信需求
    • 有效处理大于 8 字节的数据传输（最多 1785 字节）
    • 提供完整的流控制和错误处理机制

  3. 配置灵活性：

    • 完善的配置结构，支持丰富的参数调整
    • 通过配置可以适应不同的应用场景和硬件平台
    • 支持动态参数调整，提高运行时灵活性

  4. 主要应用场景：

    • 商用车辆通信网络
    • 工程机械和农业设备通信
    • 需要可靠传输大量数据的分布式控制系统

J1939TP 模块充分利用了 AUTOSAR 架构的优势，提供了标准化的 J1939 传输协议实现，使应用开发人员能够专注于功能实现，而不必关心底层通信细节。在以 CAN 总线为基础的车辆网络中，J1939TP 为大数据量传输提供了可靠的解决方案。

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