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AUTOSAR SAE J1939 网络管理模块详解

基于AUTOSAR标准的J1939网络管理实现原理与应用

目录

• 1. 概述
  • 1.1 J1939网络管理简介
  • 1.2 J1939Nm在AUTOSAR中的定位
• 2. 架构设计
  • 2.1 J1939Nm模块架构
  • 2.2 与其他模块的交互
• 3. 状态管理
  • 3.1 网络管理状态机
  • 3.2 状态转换流程
• 4. 地址管理
  • 4.1 地址声明机制
  • 4.2 地址冲突处理
  • 4.3 地址请求响应
• 5. 配置模型
  • 5.1 配置结构
  • 5.2 配置参数
• 6. 总结

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1. 概述

1.1 J1939网络管理简介

SAE J1939是一种广泛应用于重型车辆、农业机械和工程机械的CAN总线通信协议。与传统AUTOSAR网络管理不同，J1939网络管理的主要目标不是处理ECU的休眠和唤醒，而是为每个ECU分配唯一的网络地址。

在J1939网络中，每个ECU通过发送AddressClaimed消息来声明其网络地址。如果多个ECU尝试使用相同地址，具有更高优先级的ECU将保留此地址，而其他ECU必须放弃地址并发送CannotClaimAddress消息。优先级由64位的NAME值决定，NAME值越小优先级越高。

J1939标准定义了地址范围从0到253（0x00-0xFD）的可用网络地址，其中254（0xFE）被保留用作空地址（NULL），255（0xFF）用作全局地址。

1.2 J1939Nm在AUTOSAR中的定位

AUTOSAR J1939 Network Management模块（J1939Nm）实现了J1939协议中的网络管理功能，主要负责：

• 处理AddressClaimed和CannotClaimAddress消息的发送与接收
• 管理网络状态转换和通知
• 处理地址冲突情况
• 响应地址请求
• 确保ECU在地址声明前或地址丢失后不发送其他消息

J1939Nm是AUTOSAR通信栈的基础软件模块，位于通信层，与其他模块如通信管理器（ComM）、基础软件模式管理器（BswM）、网络管理接口（Nm）等协同工作。

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2. 架构设计

2.1 J1939Nm模块架构

J1939Nm模块在AUTOSAR分层架构中的位置及其与其他模块的关系如下图所示：

2.2 与其他模块的交互

J1939Nm模块与其他AUTOSAR基础软件模块有以下主要接口：

1. 提供的接口：

   • 初始化接口：J1939Nm_Init()、J1939Nm_DeInit()
   • 网络管理接口：J1939Nm_NetworkRequest()、J1939Nm_NetworkRelease()、J1939Nm_GetState()
   • 地址管理接口：J1939Nm_PassiveStartUp()、J1939Nm_GetBusOffDelay()
   • 回调接口：J1939Nm_RxIndication()、J1939Nm_TxConfirmation()、J1939Nm_RequestIndication()

2. 调用的接口：

   • CAN接口：CanIf_Transmit()
   • 网络管理通知：Nm_StateChangeNotification()、Nm_NetworkMode()、Nm_BusSleepMode()
   • 模式管理通知：BswM_J1939Nm_StateChangeNotification()
   • 诊断接口：Dem_SetEventStatus()、Det_ReportError()

J1939Nm模块的主要功能包括：

• 管理J1939网络地址声明
• 处理地址冲突
• 响应地址请求
• 确保ECU在地址声明前或地址丢失后不发送消息

从架构上看，J1939Nm位于通信层，直接与CanIf、Nm、J1939Rm等模块交互，同时也接收来自服务层的ComM和BswM的请求和通知。这种分层设计确保了模块间的清晰边界和标准化接口。

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3. 状态管理

3.1 网络管理状态机

J1939Nm模块实现了一个状态机来管理ECU在J1939网络中的状态。下图展示了J1939Nm的内部状态转换：

3.2 状态转换流程

J1939Nm状态机包含以下主要状态：

1. SleepMode（NM_MODE_BUS_SLEEP）：

   • ECU初始化后的默认状态
   • 此状态下ECU的网络功能处于休眠状态
   • 通过J1939Nm_Init()进入此状态

2. NetworkMode（NM_MODE_NETWORK）：

   • 包含Offline和NormalOperation两个子状态
   • 通过J1939Nm_NetworkRequest()从SleepMode切换到此状态
   • 切换时，会触发AddressClaimed消息的发送并通知Nm接口

3. Offline状态：

   • Claiming子状态：

     • 当配置了启动延迟（J1939NmNodeStartUpDelay）时，节点进入此状态
     • 发送AddressClaimed消息后等待250ms，检测是否有地址冲突
     • 延时结束后自动切换到NormalOperation状态

   • AcLost子状态：

     • 当收到更高优先级（NAME值更小）的相同地址声明时，进入此状态
     • 进入该状态后发送CannotClaimAddress消息（源地址=0xFE）
     • 通知BswM和Nm接口当前状态为OFFLINE

4. NormalOperation（NM_STATE_NORMAL_OPERATION）：

   • ECU已成功获取网络地址，可以正常通信
   • 如果未配置启动延迟，在网络请求后直接进入此状态
   • 如果配置了启动延迟，在Claiming状态250ms延时后进入此状态

状态转换过程中的关键点：

• 每次状态变化都会通知BswM（通过BswM_J1939Nm_StateChangeNotification()）
• 通道级别的状态变化会通知Nm接口（通过Nm_StateChangeNotification()）
• 从NetworkMode返回SleepMode由J1939Nm_NetworkRelease()触发
• 地址冲突会导致从NormalOperation切换到AcLost状态

这种状态管理机制确保了ECU在J1939网络中按照标准流程进行地址声明和冲突处理，并通过标准接口通知其他AUTOSAR模块当前网络状态。

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4. 地址管理

4.1 地址声明机制

J1939网络中的地址管理通过AddressClaimed消息实现。下图展示了J1939Nm模块处理地址声明的序列流程：

地址声明的主要流程包括：

1. 启动阶段地址声明：

   • 当ComM请求网络服务时，调用链为：ComM → Nm → J1939Nm_NetworkRequest()
   • J1939Nm更新状态为NetworkMode并通知Nm接口
   • 根据J1939NmNodeStartUpDelay配置，设置NodeChannel状态
   • 通过CanIf发送AddressClaimed消息
   • 如果配置了启动延迟，启动250ms计时器，延时后切换到NormalOperation状态

2. 接收地址声明处理：

   • 当接收到外部设备的AddressClaimed消息时，通过J1939Nm_RxIndication()处理
   • 比较接收到的源地址与本地配置的地址和NAME优先级
   • 如果地址相同但接收到的NAME优先级更高，本地ECU切换到AcLost状态并发送CannotClaimAddress
   • 如果地址相同但本地优先级更高，重新发送本地的AddressClaimed消息
   • 如果地址不同，记录外部节点信息

3. 地址请求响应：

   • 当接收到地址请求消息（RQST，PGN=0x0EA00）时，J1939Rm调用J1939Nm_RequestIndication()
   • 根据当前NodeChannel状态决定响应方式：
     • 如果处于NormalOperation或Claiming状态，发送AddressClaimed消息
     • 如果处于AcLost状态，发送CannotClaimAddress消息

4. 网络关闭流程：

   • 当ComM释放网络时，调用链为：ComM → Nm → J1939Nm_NetworkRelease()
   • J1939Nm更新状态为SleepMode
   • 通知Nm接口和BswM状态变化（NM_STATE_BUS_SLEEP）

4.2 地址冲突处理

当两个或多个ECU尝试使用相同地址时，会发生地址冲突。J1939Nm通过以下机制处理地址冲突：

1. 冲突检测：

   • 接收到与本地地址相同的AddressClaimed消息时，比较NAME优先级
   • NAME是一个64位标识符，数值越小优先级越高

2. 冲突解决：

   • 如果本地NAME优先级更高，J1939Nm重新发送AddressClaimed消息
   • 如果外部设备NAME优先级更高，本地ECU进入AcLost状态并发送CannotClaimAddress消息

3. 随机延时：

   • 为避免总线负载峰值和重复冲突，在发送CannotClaimAddress消息前添加随机延时
   • 随机延时基于节点NAME计算，确保不同节点使用不同的延时值

4. BusOff处理：

   • CAN总线上的BusOff事件后恢复也使用随机延时
   • 通过J1939Nm_GetBusOffDelay()获取延时值

4.3 地址请求响应

J1939协议允许节点请求网络上其他节点的地址信息。J1939Nm通过以下方式处理地址请求：

1. 请求处理：

   • J1939Rm收到请求消息后调用J1939Nm_RequestIndication()
   • 请求可以是全局的（DA=0xFF）或针对特定地址的

2. 响应生成：

   • 根据当前状态决定响应类型：
     • NormalOperation或Claiming状态：发送AddressClaimed
     • AcLost状态：发送CannotClaimAddress

3. 响应传输：

   • 所有响应都是全局发送的（DA=0xFF）
   • 在AcLost状态发送响应前添加随机延时

通过这些机制，J1939Nm确保了ECU在J1939网络中可以正确声明地址、处理地址冲突并响应地址请求，符合SAE J1939-81标准规范。

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5. 配置模型

5.1 配置结构

J1939Nm模块的配置结构如下图所示：

5.2 配置参数

J1939Nm模块的配置分为以下几个主要部分：

1. 模块级配置：

   • J1939NmGeneral：包含模块通用配置
     • J1939NmDevErrorDetect：开发错误检测开关
     • J1939NmMainFunctionPeriod：主函数周期时间
     • J1939NmVersionInfoApi：版本信息API开关
     • J1939NmBusOffDelayTickPeriod：总线关闭延迟周期
     • J1939NmUserCallout：用户回调函数开关

2. 配置集：

   • J1939NmConfigSet：包含网络配置
     • J1939NmSharedAddressSpace：共享地址空间配置
     • J1939NmChannel：通道配置
     • J1939NmNode：本地节点配置
     • J1939NmExternalNode：外部节点配置

3. 共享地址空间配置：

   • 用于网关应用场景，允许不同J1939通道间的地址协调
   • 定义哪些通道属于同一个地址空间

4. 通道配置：

   • J1939NmChannelId：通道标识符
   • J1939NmChannelEnable：通道启用标志
   • J1939NmChannelUsesAddressArbitration：是否使用地址仲裁
   • J1939NmTxPdu/J1939NmRxPdu：发送/接收PDU配置
   • ComMChannelRef：对应的ComM通道引用

5. 节点配置：

   • J1939NmNode：本地节点配置

     • J1939NmNodeNameXxx参数：构成64位J1939 NAME
     • J1939NmNodePreferredAddress：节点首选源地址
     • J1939NmNodeStartUpDelay：是否启用启动延迟
     • J1939NmNodeSpecificDemEventParameterRefs：诊断事件参数引用

   • J1939NmExternalNode：外部节点配置（用于网关场景）

     • 结构与本地节点类似，用于在多个通道间转发外部节点的地址声明

6. PDU配置：

   • J1939NmTxPdu：发送PDU配置，用于AddressClaimed消息发送
   • J1939NmRxPdu：接收PDU配置，用于接收外部AddressClaimed消息

J1939Nm配置模型的设计支持多节点、多通道场景，并能处理网关应用中的地址协调。配置参数允许调整模块行为，如是否启用地址仲裁、是否使用启动延迟等，以适应不同应用需求。

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6. 总结

AUTOSAR SAE J1939网络管理模块(J1939Nm)实现了J1939协议中的网络管理功能，专注于地址管理而非传统的ECU休眠和唤醒管理。其主要特点和优势包括：

• 标准合规性：完全符合SAE J1939-81网络管理标准
• 灵活配置：支持多种配置选项，适应不同应用场景
• 网关支持：通过共享地址空间支持网关应用中的地址协调
• 完整状态管理：提供详细的状态转换和通知机制
• 健壮的冲突处理：通过优先级比较和随机延时处理地址冲突

J1939Nm模块作为AUTOSAR通信栈的重要组成部分，为重型车辆、农业机械和工程机械等应用领域提供了标准化的网络管理解决方案，确保不同厂商的ECU可以在同一网络中正确协作。

通过本文介绍的架构设计、状态管理、地址管理和配置模型，开发者可以更好地理解和使用J1939Nm模块，实现基于AUTOSAR标准的J1939网络应用。