引言
随着汽车电子技术的发展及对汽车性能要求的不断提高,汽车上的电子装置越来越多。一辆用传统布线方法设计的高档车中,其电线的长度可达2km ,电气节点数可能高达1500 个,并且保持大约每10 年增长1 倍的发展速度。在这种状况下,粗大的线束与汽车中有限的可用空间之间的矛盾越来越尖锐,而且也成为汽车轻量化和进一步电子化的最大障碍。计算机网络化的发展为解决此问题提供了可能。
各大汽车厂商从上世纪70 年代末就开始进行车用网络的研究,车用网络协议的标准化研究也在国外迅速地发展起来。到90 年代初,协议的研发到了相对成熟的阶段,由于车用电气的种类繁多,对网络的传输速度和成本要求差异较大,因此呈现出多元化的趋势。这些车用协议中较为突出的是BOSCH公司于20 世纪80 年代初提出的CAN(Controller Area Network) 。还有一些适合不同传输速率等级及特殊用途的网络协议,如低速的LIN、中高速的SAE J1939、用于诊断的KWP2000、用于X-by-wire的TTP、多媒体应用中的MOST 等协议。
电动汽车是为解决燃油危机和环境污染问题孕育而生的。与传统汽车相比,它的电子装置更多而且相互间的关联性更强,因此数据通信更为重要。各类电动汽车中的控制系统实时采集反映整车和零部件的运行状态以及驾驶员意愿的参数,并发送相关运行指令。这些功能的实现都对ECU 之间的通信提出了很高的要求,并直接影响了车辆的运行性能和安全性。
我国传统车用网络、总线、通讯协议的研究起步较晚,基础相当薄弱,目前在国家“十五”863 计划的支持下,CAN 总线在各电动汽车整车中得到广泛应用。在自主研发电动汽车的过程中,充分借鉴、吸收国外的经验,制定出电动汽车用网络、总线、通信协议,可更快地提升我国在此方面的技术水平。
车辆系统网络的研制需事先搭建仿真系统来模拟网络,调整和改进设计。网络协议的制定和实施,必须对其核心的性能指标通过仿真或实际测试进行评价,这样才能保证在实际应用中网络正常工作和满足系统的要求。这一过程对于网络上的各个ECU节点而言都是需要进行的。车用CAN 总线测试台就是在国家“十五”863 计划电动汽车重大专项支持下研发的,通过公共平台的建设,可以对车用总线协议进行仿真测试,对整车系统网络的性能进行评估,并可以对关键零部件的通讯性能进行测试与评估。
现有CAN 总线网络分析评价方法评述
目前,对CAN 总线的分析评价方法主要有数学建模、网络一致性分析及直接测试分析。其中数学建模通常用于网络系统开发初期和开发过程中,它是对整个网络进行规划。而一致性测试及直接测试分析主要是在开发后期,网络投入使用后进行,用来对网络性能进行真实的评价。
数学建模法是建立系统的数学模型,用演绎推理求解,该模型用数学形式表示系统的特性和行为,并利用计算机协助运算,来分析网络的性能。根据网络的不同结构,作一些合理的近似和假设,建立一些粗略的关系表达式,来表示各个参量之间的关
系。
网络一致性测试就是测试一个应用装置是否兼容一个给定的规范或协议。在网络协议制定完成之后,各开发单位就会根据协议各自对组件进行独立的开发,当不同组件构成网络时,不同开发单位的组件可能不能正常地通信。一致性测试就是测试不同厂商生产上的组件是否能正常地通信,通过经验选择进行有限数量的独立实验来完成。一致性测试工具顺序化、结构化地对一致性测试协议中描述的内容进行测试,测试内容可以按实时性的要求级别进行分类。在汽车的应用上,有些测试已经成为国际标准,例如ISO 16845 描述了CAN 的一致性测试。
直接测试分析,是在真实CAN 总线上借助测试设备进行系统性能评估。评价总线系统核心性能的主要指标有:总线的传输速率;总线吞吐量;总线利用率;消息的传输延时时间;节点ECU 的通讯负载;总线的EMC 特性。
CAN 分析工具多种多样, 从最低端的RS232CAN 分析仪到Vector 公司的一系列CAN 测试及仿真设备,都可以对CAN 网络进行测试。它们的主要特点是分析总线上运行的数据。
以上三种评价方法都具有不同的特点,各自又有一定的局限性。模型仿真与具体实施存在较大的差距,这种差距有可能使仿真结果无法具体物理实现。利用具有严格时间规则的计算机软件仿真节点来代替总线上存在的无序消息的真实节点进行的部分仿真,其局限性是显然的。目前已有的网络测试产品仅限于对总线上运行的数据进行分析,与具体系统的关联性不大。
CAN 总线实时仿真测试平台的研发与应用
目前已有的测试工具不能方便地对一个分布式实时控制网络的CAN 通讯进行全方位的评价。为此,我们提出了网络在环的设计思想,开发了CAN总线实时仿真测试系统。整个系统在自己研发平台的基础上,运用国外已有的先进总线测试工具的产品,可对CAN 总线通讯网络性能、单个ECU 通讯功能进行分析、测试及评价。
CAN总线实时仿真测试平台的研发
CAN 总线测试平台拓扑结构如图1 所示,它由实时仿真节点、待测节点和运行在PC 上的相关软件组成。其中实时仿真节点由微处理器与PhilipsSJA100 CAN 控制器构成的真实结点,通过RS485 接收运行在PC 机上配置与监控软件发送的配置信息,仿真某一特定ECU 的通讯功能,定时向总线上发送特定的信息,从总线上接收信息,并上传其运行状态;待测节点为真实网络系统中的ECU 节点;在PC 机上运行一些相关的测试软件, 如: CANoe 、CANScope 以及仿真结点配置软件与监控软件。该测试平台可测试系统的各项指标,如总线负载、发送延迟、错误统计、MCU 的通讯负载分析及各种干扰对总线的影响等。
CANoe 是进行CAN 通讯网络监测和分析的工具,同时具有强大的系统仿真功能。CANoe 可以建立系统的仿真结构与节点、消息及信号的数据库,通过采用其编程语言CAPL 可以进行节点仿真,对总线上的数据能进行动态的跟踪并能显示统计信息。它能够测量的总线数据有:总线负载,峰值负载,总线的各种帧数据和帧数统计,在PC 上消息发送与接收延时。
波形的质量决定了数据传输的可靠性,所以要对CAN 总线的物理层进行评价,评价传输介质、总线CAN 收发器、终端电阻的分布影响。CANscope 网络示波器就是CAN 物理层分析工具。它通过串行总线与PC 相连,记录模块能数字化CAN 总线上的消息并储存以便采用软件进行分析,前触发模式可以捕捉一帧CAN 消息或一个错误帧的前后相邻数据。分析软件显示总线电压值、差分电压值及填充位随时间的变化。在跟踪窗口中可以显示CAN 消息帧、消息帧的各个组成部分以及错误帧。
CAN 网络具有很强的错误处理能力,当网络中的节点遭受严重干扰时,它能自动脱离总线,从而不会影响整个网络的信息交互。ISO11519-2 规定了CAN 总线对于节点失灵的容错能力,因此要根据要求测量CAN 网络对于干扰或者节点失灵情况的容错能力。为了测试在受到干扰或者节点失灵的情况下网络是否还能正常工作,CANstress 模拟总线干扰工具可以直接联入CAN 总线上,通过软件控制,可以模拟出各种不同的干扰和失灵情况,以便观察网络在干扰和失灵情况下的运行情况。它有两种工作方式,一种是破坏节点上发送的消息来测试网络的抗干扰能力。另一种方式是设置外部设备来模拟发生故障的节点。
CAN总线实时仿真测试平台的应用
应用该平台可对系统的通讯能力进行评估,可测试系统的各项指标,如总线负载、峰值负载、总线的各种帧数据和帧数统计、发送延迟、错误统计、MCU 的通讯负载分析及各种干扰对总线的影响等。同时可对CAN 总线的物理层和网络拓扑结构进行评价与优化,评价传输介质、总线CAN 收发器、终端电阻的分布影响。
下面是几个对单个ECU 通讯功能、系统的网络拓扑结构以及通讯介质选择的测试实例。通过测试,可以进一步改进整个网络系统的性能。
(1) 单个ECU 通讯部分实时性的对比测试
该测试的目的是观察相关软件功能对消息延时的影响,图2 所示为消息发送周期软件修改前后对比图。通过测试发现某条消息的延时比较大,通过软件进一步优化可以消除延时现象。
(2) 不同网络拓扑结构的对比测试
利用该系统可测试比较不同拓扑结构时总线的抗干扰能力,图3 所示为终端电阻位置改变信号传输波形对比图。由图可看出终端电阻位置的不同对总线系统的抗干扰能力有很大影响,在实际系统中应注意它的分布位置。
(3) 通讯介质选择不当的信号传输波形
通讯介质的选择对总线系统的通讯是至关重要的。图4 所示为一种通讯介质的物理层信号图,与图3 中终端电阻调整后的物理层信号图相比,抗干扰能力明显降低。因此,在设计系统时,应选择好通讯介质。
结束语
随着CAN 总线在汽车中的使用,分布式实时系统在汽车中的应用越来越多。在分布式实时系统中,网络的实时性直接影响到系统的实时性,而网络的实时性主要由网络性质、信息流量以及系统中各节点对网络信息的响应速度决定。当系统的网络性质和信息流量基本确定之后,与网络实时性直接相关的是各节点对网络信息的响应速度。而目前常用的CAN 总线测试系统都不具备此测试功能,当它们用于分布式实时系统网络测试时,很难涉及网络的实时性。在研发总线测试平台时,考虑到整个系统的特点,提出网络在环设计方法,将网络的实时性作为整个测试系统实时性的一个重要因素贯穿于整个设计、分析和测试过程。该CAN 总线实时仿真测试平台为研究制定我国自己的电动汽车通讯协议和测试、评价CAN 总线通讯网络性能奠定了很好的基础,同时它可用于车用CAN 总线相关技术的研发。对于不同性能的CPU ,整个测试系统的性能会有较大的差别,为此,目前正在开发更高性能CPU 为核心的测试系统,以满足日益发展的整车控制系统的需要。