基于CAN總線技術(shù)搭建車輛系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的仿真測試平臺(tái)

引言

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展及對汽車性能要求的不斷提高，汽車上的電子裝置越來越多。一輛用傳統(tǒng)布線方法設(shè)計(jì)的高檔車中，其電線的長度可達(dá)2km ，電氣節(jié)點(diǎn)數(shù)可能高達(dá)1500 個(gè)，并且保持大約每10 年增長1 倍的發(fā)展速度。在這種狀況下，粗大的線束與汽車中有限的可用空間之間的矛盾越來越尖銳，而且也成為汽車輕量化和進(jìn)一步電子化的最大障礙。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展為解決此問題提供了可能。

各大汽車廠商從上世紀(jì)70 年代末就開始進(jìn)行車用網(wǎng)絡(luò)的研究，車用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化研究也在國外迅速地發(fā)展起來。到90 年代初，協(xié)議的研發(fā)到了相對成熟的階段，由于車用電氣的種類繁多，對網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度和成本要求差異較大，因此呈現(xiàn)出多元化的趨勢。這些車用協(xié)議中較為突出的是BOSCH公司于20 世紀(jì)80 年代初提出的CAN（Controller Area Network） 。還有一些適合不同傳輸速率等級及特殊用途的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如低速的LIN、中高速的SAE J1939、用于診斷的KWP2000、用于X-by-wire的TTP、多媒體應(yīng)用中的MOST 等協(xié)議。

電動(dòng)汽車是為解決燃油危機(jī)和環(huán)境污染問題孕育而生的。與傳統(tǒng)汽車相比，它的電子裝置更多而且相互間的關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)，因此數(shù)據(jù)通信更為重要。各類電動(dòng)汽車中的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集反映整車和零部件的運(yùn)行狀態(tài)以及駕駛員意愿的參數(shù)，并發(fā)送相關(guān)運(yùn)行指令。這些功能的實(shí)現(xiàn)都對ECU 之間的通信提出了很高的要求，并直接影響了車輛的運(yùn)行性能和安全性。

我國傳統(tǒng)車用網(wǎng)絡(luò)、總線、通訊協(xié)議的研究起步較晚，基礎(chǔ)相當(dāng)薄弱，目前在國家“十五”863 計(jì)劃的支持下，CAN 總線在各電動(dòng)汽車整車中得到廣泛應(yīng)用。在自主研發(fā)電動(dòng)汽車的過程中，充分借鑒、吸收國外的經(jīng)驗(yàn)，制定出電動(dòng)汽車用網(wǎng)絡(luò)、總線、通信協(xié)議，可更快地提升我國在此方面的技術(shù)水平。

車輛系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的研制需事先搭建仿真系統(tǒng)來模擬網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整和改進(jìn)設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的制定和實(shí)施，必須對其核心的性能指標(biāo)通過仿真或?qū)嶋H測試進(jìn)行評價(jià)，這樣才能保證在實(shí)際應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)正常工作和滿足系統(tǒng)的要求。這一過程對于網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)ECU節(jié)點(diǎn)而言都是需要進(jìn)行的。車用CAN 總線測試臺(tái)就是在國家“十五”863 計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)支持下研發(fā)的，通過公共平臺(tái)的建設(shè)，可以對車用總線協(xié)議進(jìn)行仿真測試，對整車系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行評估，并可以對關(guān)鍵零部件的通訊性能進(jìn)行測試與評估。

現(xiàn)有CAN 總線網(wǎng)絡(luò)分析評價(jià)方法評述

目前，對CAN 總線的分析評價(jià)方法主要有數(shù)學(xué)建模、網(wǎng)絡(luò)一致性分析及直接測試分析。其中數(shù)學(xué)建模通常用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)初期和開發(fā)過程中，它是對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃。而一致性測試及直接測試分析主要是在開發(fā)后期，網(wǎng)絡(luò)投入使用后進(jìn)行，用來對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行真實(shí)的評價(jià)。

數(shù)學(xué)建模法是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用演繹推理求解，該模型用數(shù)學(xué)形式表示系統(tǒng)的特性和行為，并利用計(jì)算機(jī)協(xié)助運(yùn)算，來分析網(wǎng)絡(luò)的性能。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的不同結(jié)構(gòu)，作一些合理的近似和假設(shè)，建立一些粗略的關(guān)系表達(dá)式，來表示各個(gè)參量之間的關(guān)系。

網(wǎng)絡(luò)一致性測試就是測試一個(gè)應(yīng)用裝置是否兼容一個(gè)給定的規(guī)范或協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議制定完成之后，各開發(fā)單位就會(huì)根據(jù)協(xié)議各自對組件進(jìn)行獨(dú)立的開發(fā)，當(dāng)不同組件構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)時(shí)，不同開發(fā)單位的組件可能不能正常地通信。一致性測試就是測試不同廠商生產(chǎn)上的組件是否能正常地通信，通過經(jīng)驗(yàn)選擇進(jìn)行有限數(shù)量的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)來完成。一致性測試工具順序化、結(jié)構(gòu)化地對一致性測試協(xié)議中描述的內(nèi)容進(jìn)行測試，測試內(nèi)容可以按實(shí)時(shí)性的要求級別進(jìn)行分類。在汽車的應(yīng)用上，有些測試已經(jīng)成為國際標(biāo)準(zhǔn)，例如ISO 16845 描述了CAN 的一致性測試。

直接測試分析，是在真實(shí)CAN 總線上借助測試設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)性能評估。評價(jià)總線系統(tǒng)核心性能的主要指標(biāo)有：總線的傳輸速率;總線吞吐量;總線利用率;消息的傳輸延時(shí)時(shí)間;節(jié)點(diǎn)ECU 的通訊負(fù)載;總線的EMC 特性。

CAN 分析工具多種多樣， 從最低端的RS232CAN 分析儀到Vector 公司的一系列CAN 測試及仿真設(shè)備，都可以對CAN 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試。它們的主要特點(diǎn)是分析總線上運(yùn)行的數(shù)據(jù)。

以上三種評價(jià)方法都具有不同的特點(diǎn)，各自又有一定的局限性。模型仿真與具體實(shí)施存在較大的差距，這種差距有可能使仿真結(jié)果無法具體物理實(shí)現(xiàn)。利用具有嚴(yán)格時(shí)間規(guī)則的計(jì)算機(jī)軟件仿真節(jié)點(diǎn)來代替總線上存在的無序消息的真實(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的部分仿真，其局限性是顯然的。目前已有的網(wǎng)絡(luò)測試產(chǎn)品僅限于對總線上運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與具體系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性不大。

CAN 總線實(shí)時(shí)仿真測試平臺(tái)的研發(fā)與應(yīng)用

目前已有的測試工具不能方便地對一個(gè)分布式實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)的CAN 通訊進(jìn)行全方位的評價(jià)。為此，我們提出了網(wǎng)絡(luò)在環(huán)的設(shè)計(jì)思想，開發(fā)了CAN總線實(shí)時(shí)仿真測試系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)在自己研發(fā)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用國外已有的先進(jìn)總線測試工具的產(chǎn)品，可對CAN 總線通訊網(wǎng)絡(luò)性能、單個(gè)ECU 通訊功能進(jìn)行分析、測試及評價(jià)。

CAN總線實(shí)時(shí)仿真測試平臺(tái)的研發(fā)

CAN 總線測試平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，它由實(shí)時(shí)仿真節(jié)點(diǎn)、待測節(jié)點(diǎn)和運(yùn)行在PC 上的相關(guān)軟件組成。其中實(shí)時(shí)仿真節(jié)點(diǎn)由微處理器與PhilipsSJA100 CAN 控制器構(gòu)成的真實(shí)結(jié)點(diǎn)，通過RS485 接收運(yùn)行在PC 機(jī)上配置與監(jiān)控軟件發(fā)送的配置信息，仿真某一特定ECU 的通訊功能，定時(shí)向總線上發(fā)送特定的信息，從總線上接收信息，并上傳其運(yùn)行狀態(tài);待測節(jié)點(diǎn)為真實(shí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的ECU 節(jié)點(diǎn);在PC 機(jī)上運(yùn)行一些相關(guān)的測試軟件， 如： CANoe 、CANScope 以及仿真結(jié)點(diǎn)配置軟件與監(jiān)控軟件。該測試平臺(tái)可測試系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)，如總線負(fù)載、發(fā)送延遲、錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)、MCU 的通訊負(fù)載分析及各種干擾對總線的影響等。

CANoe 是進(jìn)行CAN 通訊網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和分析的工具，同時(shí)具有強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真功能。CANoe 可以建立系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)與節(jié)點(diǎn)、消息及信號(hào)的數(shù)據(jù)庫，通過采用其編程語言CAPL 可以進(jìn)行節(jié)點(diǎn)仿真，對總線上的數(shù)據(jù)能進(jìn)行動(dòng)態(tài)的跟蹤并能顯示統(tǒng)計(jì)信息。它能夠測量的總線數(shù)據(jù)有：總線負(fù)載，峰值負(fù)載，總線的各種幀數(shù)據(jù)和幀數(shù)統(tǒng)計(jì)，在PC 上消息發(fā)送與接收延時(shí)。

波形的質(zhì)量決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，所以要對CAN 總線的物理層進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)傳輸介質(zhì)、總線CAN 收發(fā)器、終端電阻的分布影響。CANscope 網(wǎng)絡(luò)示波器就是CAN 物理層分析工具。它通過串行總線與PC 相連，記錄模塊能數(shù)字化CAN 總線上的消息并儲(chǔ)存以便采用軟件進(jìn)行分析，前觸發(fā)模式可以捕捉一幀CAN 消息或一個(gè)錯(cuò)誤幀的前后相鄰數(shù)據(jù)。分析軟件顯示總線電壓值、差分電壓值及填充位隨時(shí)間的變化。在跟蹤窗口中可以顯示CAN 消息幀、消息幀的各個(gè)組成部分以及錯(cuò)誤幀。

CAN 網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的錯(cuò)誤處理能力，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)遭受嚴(yán)重干擾時(shí)，它能自動(dòng)脫離總線，從而不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息交互。ISO11519-2 規(guī)定了CAN 總線對于節(jié)點(diǎn)失靈的容錯(cuò)能力，因此要根據(jù)要求測量CAN 網(wǎng)絡(luò)對于干擾或者節(jié)點(diǎn)失靈情況的容錯(cuò)能力。為了測試在受到干擾或者節(jié)點(diǎn)失靈的情況下網(wǎng)絡(luò)是否還能正常工作，CANstress 模擬總線干擾工具可以直接聯(lián)入CAN 總線上，通過軟件控制，可以模擬出各種不同的干擾和失靈情況，以便觀察網(wǎng)絡(luò)在干擾和失靈情況下的運(yùn)行情況。它有兩種工作方式，一種是破壞節(jié)點(diǎn)上發(fā)送的消息來測試網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。另一種方式是設(shè)置外部設(shè)備來模擬發(fā)生故障的節(jié)點(diǎn)。

CAN總線實(shí)時(shí)仿真測試平臺(tái)的應(yīng)用

應(yīng)用該平臺(tái)可對系統(tǒng)的通訊能力進(jìn)行評估，可測試系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)，如總線負(fù)載、峰值負(fù)載、總線的各種幀數(shù)據(jù)和幀數(shù)統(tǒng)計(jì)、發(fā)送延遲、錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)、MCU 的通訊負(fù)載分析及各種干擾對總線的影響等。同時(shí)可對CAN 總線的物理層和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行評價(jià)與優(yōu)化，評價(jià)傳輸介質(zhì)、總線CAN 收發(fā)器、終端電阻的分布影響。

下面是幾個(gè)對單個(gè)ECU 通訊功能、系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及通訊介質(zhì)選擇的測試實(shí)例。通過測試，可以進(jìn)一步改進(jìn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能。

（1） 單個(gè)ECU 通訊部分實(shí)時(shí)性的對比測試

該測試的目的是觀察相關(guān)軟件功能對消息延時(shí)的影響，圖2 所示為消息發(fā)送周期軟件修改前后對比圖。通過測試發(fā)現(xiàn)某條消息的延時(shí)比較大，通過軟件進(jìn)一步優(yōu)化可以消除延時(shí)現(xiàn)象。

（2） 不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對比測試

利用該系統(tǒng)可測試比較不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)總線的抗干擾能力，圖3 所示為終端電阻位置改變信號(hào)傳輸波形對比圖。由圖可看出終端電阻位置的不同對總線系統(tǒng)的抗干擾能力有很大影響，在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)注意它的分布位置。

（3） 通訊介質(zhì)選擇不當(dāng)?shù)男盘?hào)傳輸波形

通訊介質(zhì)的選擇對總線系統(tǒng)的通訊是至關(guān)重要的。圖4 所示為一種通訊介質(zhì)的物理層信號(hào)圖，與圖3 中終端電阻調(diào)整后的物理層信號(hào)圖相比，抗干擾能力明顯降低。因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)選擇好通訊介質(zhì)。

結(jié)束語

隨著CAN 總線在汽車中的使用，分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用越來越多。在分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性直接影響到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，而網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性主要由網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)、信息流量以及系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)信息的響應(yīng)速度決定。當(dāng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)和信息流量基本確定之后，與網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性直接相關(guān)的是各節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)信息的響應(yīng)速度。而目前常用的CAN 總線測試系統(tǒng)都不具備此測試功能，當(dāng)它們用于分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)測試時(shí)，很難涉及網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。在研發(fā)總線測試平臺(tái)時(shí)，考慮到整個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出網(wǎng)絡(luò)在環(huán)設(shè)計(jì)方法，將網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性作為整個(gè)測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的一個(gè)重要因素貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)、分析和測試過程。該CAN 總線實(shí)時(shí)仿真測試平臺(tái)為研究制定我國自己的電動(dòng)汽車通訊協(xié)議和測試、評價(jià)CAN 總線通訊網(wǎng)絡(luò)性能奠定了很好的基礎(chǔ)，同時(shí)它可用于車用CAN 總線相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。對于不同性能的CPU ，整個(gè)測試系統(tǒng)的性能會(huì)有較大的差別，為此，目前正在開發(fā)更高性能CPU 為核心的測試系統(tǒng)，以滿足日益發(fā)展的整車控制系統(tǒng)的需要。

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