J1939

J1939 ist ein Standard, der in der Nutzfahrzeugindustrie weit verbreitet ist und die Kommunikation zwischen den verschiedenen Systemen eines Fahrzeugs ermöglicht. Das Protokoll J1939 wurde von der Society of Automotive Engineers (SAE) entwickelt.

J1939 ermöglicht eine zuverlässige und standardisierte Kommunikationsmethode zwischen den Steuergeräten in Nutzfahrzeuge über den CAN-Bus. Die Steuergeräte werden innerhalb von J1939 als Electronic Control Unit (ECU) bezeichnet. In einem Netzwerk können logisch bis zu 254 ECUs adressiert werden. In der ursprünglich Form von J1939 wird das Classic Extended Frame Format (CEFF) mit 29-Bit Identifier verwendet, damit können lediglich 8 Byte in den Nutzdaten übertragen werden. Um auch größere Datenmengen zu übertragen bietet J1939 sowohl ein verbindungsorientiertes (Connection Mode Data Transfer) als auch ein verbindungsloses (Broadcast Announce Message) Transportprotokoll. Bei beiden Transportprotokollen ist die maximale Datengröße auf 1785 Bytes limitiert.

Alle Signale innerhalb der J1939 Spezifikation sind in einer Parametergruppe (PG) zugeordnet, jede Parametergruppe hat eine eindeutige Nummer (Parameter Group Number, PGN). Die PGN ist ein 18-Bit Wert und wird innerhalb des 29-Bit Identifier der CAN Nachricht übertragen.

Auf dem CAN Physical Layer sind die Bitraten 250 kBit/s sowie 500 kBit/s spezifiziert.  

Die J1939 Spezifikation ist in diverse Dokumente aufgeteilt und wird über die Website der SAE (www.sae.org) zum Kauf angeboten. Für den Einstieg sind die folgenden Dokumente erforderlich:

• SAE J1939-21 (Data Link Layer): anders als der Titel vermuten lässt sind hier die Protokolle definiert
• SAE J1939-71 (Vehicle Application Layer): Details zum Antriebsstrang im Fahrzeug
• SAE J1939DA (Digital Annex): Excel Tabelle mit allen Parametergruppennummern (PGN) und Signalen  .

Im Bereich der Fahrzeugdiagnose kommt die Spezifikation SAE J1939-73 (Application Layer – Diagnostics) zum Einsatz. Die als Diagnostic Message (DM) bezeichneten PGNs entsprechen weitgehend dem Funktionsumfang des Unified Diagnostic Service (UDS). Im Gegensatz zu UDS werden jedoch die J1939 Diagnose Botschaften selbstständig von der ECU gesendet. Die Diagnose Botschaften enthalten einen sogenannten Diagnostic Trouble Code (DTC) welcher Rückschlüsse auf das betroffene Signal, die Fehlerursache sowie die Fehleranzahl erlaubt. Die Verwendung von DM Nachrichten ermöglicht eine schnelle und genaue Fehlererkennung und ist daher in der modernen Fahrzeugwartung unerlässlich.

Das Protokoll findet nicht nur in Nutzfahrzeugen Anwendung, sondern auch in anderen Bereichen wie der Landwirtschaft oder maritimen Anwendungen. Das verbindende Element bei der Entstehung dieser Standards war immer der Antriebsstrang (Diesel Motor).

Die ISO 11783 Spezifikation (Tractors and machinery for agriculture and forestry) definiert die Kommunikation in landwirtschaftlich genutzten Fahrzeugen, d.h. zwischen dem Traktor und dem Anbaugerät. Der ISO 11783 Standard verfügt über eine Erweiterung des J1939 Transportprotokolls für große Datenmengen.

In maritimen Anwendungen kommt der NMEA 2000 Standard zum Einsatz. Über das Fast Packet Protocol können große Datenmengen schneller als durch das J1939 Transportprotokoll übertragen werden. Zudem verfügt der Standard über einen Heartbeat Mechanismus zur ECU Überwachung.

Die ISO 11992 Spezifikation (Road vehicles – Interchange of digital information on electrical connections between towing and towed vehicles) definiert den Nachrichtenaustausch von Straßenfahrzeugen zwischen Zugmaschine und Anhänger. Der Standard basiert auf dem J1939 Protokoll, verwendet jedoch auf dem Physical Layer eine Bitrate von 125 kBit/s.

Für den Einsatz in sicherheitskritischen Applikationen wurde die SAE J1939-76 Spezifikation (Functional Safety Communications Protocol) entwickelt. Für die Übertragung von sicherheitskritischer Daten wird vor der Botschaft mit den kritischen Daten (Safety Data Message, SDM) eine zusätzliche Botschaft (Safety Header Message, SHM) gesendet. Die beiden Nachrichten SHM und SDM bilden dann eine Safety Data Group (SDG).

Aktuell ist ein Einsatz der SAE J1939-76 nicht zu empfehlen da aufgrund eines zu schwachen CRC-Polynoms eine Zertifizierung gemäß den Normen für Funktionale Sicherheit nicht möglich ist.

Im März 2022 wurde die SAE J1939-22 veröffentlicht (CAN FD Data Link Layer). Somit ist es nun möglich bis zu 64 Byte in einer CAN Botschaft zu übertragen. Darüber hinaus wurde mit diesem neuen Standard die Möglichkeit geschaffen sowohl 29-Bit Identifier (Frame Format FEFF) als auch 11-Bit Identifier (Format FBFF) zu verwenden. Mit der Verbreitung von CAN FD in der Nutzfahrzeugindustrie wird auch die Bedeutung der SAE J1939-22 zunehmen.

Ja, die Protokolle J1939 und CANopen können zusammen im gleichen Netzwerk verwendet werden. Darauf wird sogar in der SAE J1939-21 explizit hingewiesen. Bei der Systemintegration ist lediglich zu beachten dass CANopen Nachrichten (11-Bit Identifier) während der Arbitrierungsphase eine höhere Priorität haben.

Für Geräte, welche sowohl die Protokolle J1939 als auch CANopen unterstützen müssen, existiert eine standardisierte Schnittstelle für den Zugriff auf ein CANopen Objektverzeichnis durch J1939 Botschaften. Die Parametergruppe CAM11 und CAM21 definieren den SDO Zugriff, über die Parametergruppe EMCY wird die CANopen Emergency Botschaft unterstützt. Die Parametergruppen sind in der J1939DA gelistet, die Spezifikation ist in der CiA 510 festgelegt.