車用CAN總線測試平臺的研發與應用

引言

隨著汽車電子技術的發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。一輛用傳統布線方法設計的高檔車中,其電線的長度可達2km ,電氣節點數可能高達1500 個,并且保持大約每10 年增長1 倍的發展速度。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一步電子化的最大障礙。計算機網絡化的發展為解決此問題提供了可能。

各大汽車廠商從上世紀70 年代末就開始進行車用網絡的研究,車用網絡協議的標準化研究也在國外迅速地發展起來。到90 年代初,協議的研發到了相對成熟的階段,由于車用電氣的種類繁多,對網絡的傳輸速度和成本要求差異較大,因此呈現出多元化的趨勢。這些車用協議中較為突出的是BOSCH公司于20 世紀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絡協議,如低速的LIN、中高速的SAE J1939、用于診斷的KWP2000、用于X-by-wire的TTP、多媒體應用中的MOST 等協議。

電動汽車是為解決燃油危機和環境污染問題孕育而生的。與傳統汽車相比,它的電子裝置更多而且相互間的關聯性更強,因此數據通信更為重要。各類電動汽車中的控制系統實時采集反映整車和零部件的運行狀態以及駕駛員意愿的參數,并發送相關運行指令。這些功能的實現都對ECU 之間的通信提出了很高的要求,并直接影響了車輛的運行性能和安全性。

我國傳統車用網絡、總線、通訊協議的研究起步較晚,基礎相當薄弱,目前在國家“十五”863 計劃的支持下,CAN 總線在各電動汽車整車中得到廣泛應用。在自主研發電動汽車的過程中,充分借鑒、吸收國外的經驗,制定出電動汽車用網絡、總線、通信協議,可更快地提升我國在此方面的技術水平。

車輛系統網絡的研制需事先搭建仿真系統來模擬網絡,調整和改進設計。網絡協議的制定和實施,必須對其核心的性能指標通過仿真或實際測試進行評價,這樣才能保證在實際應用中網絡正常工作和滿足系統的要求。這一過程對于網絡上的各個ECU節點而言都是需要進行的。車用CAN 總線測試臺就是在國家“十五”863 計劃電動汽車重大專項支持下研發的,通過公共平臺的建設,可以對車用總線協議進行仿真測試,對整車系統網絡的性能進行評估,并可以對關鍵零部件的通訊性能進行測試與評估。

現有CAN 總線網絡分析評價方法評述

目前,對CAN 總線的分析評價方法主要有數學建模、網絡一致性分析及直接測試分析。其中數學建模通常用于網絡系統開發初期和開發過程中,它是對整個網絡進行規劃。而一致性測試及直接測試分析主要是在開發后期,網絡投入使用后進行,用來對網絡性能進行真實的評價。

數學建模法是建立系統的數學模型,用演繹推理求解,該模型用數學形式表示系統的特性和行為,并利用計算機協助運算,來分析網絡的性能。根據網絡的不同結構,作一些合理的近似和假設,建立一些粗略的關系表達式,來表示各個參量之間的關
系。

網絡一致性測試就是測試一個應用裝置是否兼容一個給定的規范或協議。在網絡協議制定完成之后,各開發單位就會根據協議各自對組件進行獨立的開發,當不同組件構成網絡時,不同開發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上的組件是否能正常地通信,通過經驗選擇進行有限數量的獨立實驗來完成。一致性測試工具順序化、結構化地對一致性測試協議中描述的內容進行測試,測試內容可以按實時性的要求級別進行分類。在汽車的應用上,有些測試已經成為國際標準,例如ISO 16845 描述了CAN 的一致性測試。

直接測試分析,是在真實CAN 總線上借助測試設備進行系統性能評估。評價總線系統核心性能的主要指標有:總線的傳輸速率;總線吞吐量;總線利用率;消息的傳輸延時時間;節點ECU 的通訊負載;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 測試及仿真設備,都可以對CAN 網絡進行測試。它們的主要特點是分析總線上運行的數據。

以上三種評價方法都具有不同的特點,各自又有一定的局限性。模型仿真與具體實施存在較大的差距,這種差距有可能使仿真結果無法具體物理實現。利用具有嚴格時間規則的計算機軟件仿真節點來代替總線上存在的無序消息的真實節點進行的部分仿真,其局限性是顯然的。目前已有的網絡測試產品僅限于對總線上運行的數據進行分析,與具體系統的關聯性不大。

CAN 總線實時仿真測試平臺的研發與應用

目前已有的測試工具不能方便地對一個分布式實時控制網絡的CAN 通訊進行全方位的評價。為此,我們提出了網絡在環的設計思想,開發了CAN總線實時仿真測試系統。整個系統在自己研發平臺的基礎上,運用國外已有的先進總線測試工具的產品,可對CAN 總線通訊網絡性能、單個ECU 通訊功能進行分析、測試及評價。