張 軍

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200030）

1 引言

CAN總線是德國(guó)BOSCH公司在20世紀(jì)80年代初為解決汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種通訊協(xié)議。由于CAN總線具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，因而得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)同和運(yùn)用，并在1993年正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，被譽(yù)為“最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線”之一。以CAN為代表的總線技術(shù)在汽車上的應(yīng)用不但減少了車身線束，也提高了汽車的可靠性。在國(guó)外現(xiàn)代轎車的設(shè)計(jì)中，CAN已經(jīng)成為了必須采用的技術(shù)，奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃及雷諾等轎車也都將CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的方式。由于純電動(dòng)汽車動(dòng)力平臺(tái)部件之間通訊較多，若單純使用車身線束，必然導(dǎo)致線束雜亂，給整車布置以及故障診斷帶來(lái)了一定的困難，采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)可以很好的解決這些問(wèn)題。

2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本文研究的對(duì)象是一款純電動(dòng)汽車，該電動(dòng)汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Electric vehicle CAN bus network architecture

該款汽車的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由諸多控制系統(tǒng)組成，考慮到電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器、組合儀表、電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)及整車控制器等節(jié)點(diǎn)都搭載在同一條CAN總線上，目前采用波特率為250Kbps的高速CAN總線。該總線協(xié)議遵循CAN BUS 2.0B技術(shù)規(guī)范所規(guī)定的擴(kuò)展幀格式（29位標(biāo)識(shí)符）以及SAE J1939的技術(shù)協(xié)議。SAE J1939協(xié)議主要運(yùn)用于載貨車和客車系統(tǒng)，它是在CAN BUS 2.0B的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用的，J1939的網(wǎng)絡(luò)通訊報(bào)文標(biāo)識(shí)符結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 J1939網(wǎng)絡(luò)通訊報(bào)文標(biāo)識(shí)符結(jié)構(gòu)Fig.2 J1939network communication message ID structure

J1939對(duì)CAN BUS 2.0B規(guī)范中的29位標(biāo)識(shí)符（0～28）做了更為具體的定義。其中優(yōu)先級(jí)P用于總線傳輸時(shí)的報(bào)文優(yōu)先級(jí)別；保留位R作為今后開發(fā)使用，此處必須默認(rèn)為0；數(shù)據(jù)頁(yè)DP用于數(shù)據(jù)頁(yè)位選擇參數(shù)群描述的輔助頁(yè)；PDU格式是一個(gè)8位構(gòu)成的域，用于確定數(shù)據(jù)域?qū)?yīng)的參數(shù)群編號(hào)；特定PDU是一個(gè)8位域，他的定義取決于PDU格式；源地址SA是一個(gè)8位的域，網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)特定的源地址只能匹配一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)。

3 總線測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

CANoe是德國(guó)VECTOR公司開發(fā)的功能強(qiáng)大的仿真及測(cè)試軟件，使用時(shí)需要借助其它硬件測(cè)試工具配合使用，常使用的硬件包括CANcaseXL，CANScope，CANStress等。

3.1 測(cè)試系統(tǒng)的功能

該測(cè)試系統(tǒng)具備三大功能：

第一，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在實(shí)車運(yùn)行過(guò)程中，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)部件的運(yùn)行參數(shù)情況。并根據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膱?bào)文中所涉及的故障信息進(jìn)行分析，判斷車輛可能存在的故障信息。

第二，離線分析功能。CANoe采集大量實(shí)時(shí)的報(bào)文信息并存儲(chǔ)于電腦硬盤中，通過(guò)回放功能重現(xiàn)采集時(shí)的數(shù)據(jù)信息，以便后期分析驗(yàn)證。

第三，系統(tǒng)模擬仿真。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)或某些節(jié)點(diǎn)掉線或出現(xiàn)異常時(shí)，CANoe的仿真功能可以實(shí)現(xiàn)在仿真環(huán)境下對(duì)正常的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功能測(cè)試。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

采用CANoe搭建測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)需要完成幾項(xiàng)工作，包括建立數(shù)據(jù)庫(kù)，編寫CAPL語(yǔ)言程序，編輯面板編輯器以及調(diào)試運(yùn)行等。

3.2.1 創(chuàng)建CANdb＋＋數(shù)據(jù)庫(kù)

CANdb＋＋是集成在CANoe中的數(shù)據(jù)庫(kù)編輯軟件，由它創(chuàng)建的CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)文件又稱為DBC文件。在創(chuàng)建DBC文件時(shí)，需要將網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層所定義的參數(shù)按照從高到低的層次依次輸入數(shù)據(jù)庫(kù)中，即從創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)開始，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層定義的節(jié)點(diǎn)信息創(chuàng)建各節(jié)點(diǎn)，再在各個(gè)節(jié)點(diǎn)下創(chuàng)建屬于該節(jié)點(diǎn)的報(bào)文，同時(shí)明確該節(jié)點(diǎn)需要接收的報(bào)文和信號(hào)；最后在每條報(bào)文下創(chuàng)建屬于該報(bào)文的信號(hào)內(nèi)容、編碼格式和換算公式——根據(jù)換算公式，可將實(shí)際的物理值信號(hào)換算成適于計(jì)算機(jī)辨認(rèn)和發(fā)送的十六進(jìn)制值信號(hào)值，便于網(wǎng)絡(luò)間的傳輸。

另外，還需定義與各節(jié)點(diǎn)相關(guān)的環(huán)境變量，將其作為該節(jié)點(diǎn)的信號(hào)輸入設(shè)備或信號(hào)輸出設(shè)備。信號(hào)輸入設(shè)備例如傳感器，開關(guān)，按鈕等，信號(hào)輸出設(shè)備例如執(zhí)行器、燈光、顯示屏等。

數(shù)據(jù)庫(kù)建完后將其添加到CANoe軟件中，實(shí)現(xiàn)CANoe網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的搭建，如圖3所示。

3.2.2 編寫CAPL語(yǔ)言程序

對(duì)于控制系統(tǒng)的仿真功能，需要通過(guò)CAPL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。CAPL全稱為CAN Access Programming Language，它是一種和C語(yǔ)言類似的編程語(yǔ)言，用它可以對(duì)每一個(gè)虛擬的控制系統(tǒng)進(jìn)行編程。CAPL語(yǔ)言程序是基于事件觸發(fā)的程序，可由總線事件，鍵盤事件或時(shí)間事件實(shí)現(xiàn)觸發(fā)功能。

3.2.3 編輯面板編輯器

CANoe軟件集成了人性化的面板編輯器（Panel）窗口，并且預(yù)先存入了諸如開關(guān)、車窗、儀表盤、點(diǎn)火開關(guān)、門鎖和按鈕等大量的圖片組件。利用環(huán)境變量為媒介，將這些圖片與對(duì)應(yīng)的信號(hào)一一鏈接，就實(shí)現(xiàn)了形象化的圖形界面，部分的Panel窗口如圖4所示。

圖3 CANoe軟件搭建電動(dòng)汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.3 The CAN bus network architecture of the electric vehicle build by CANoe

圖4 部分測(cè)試系統(tǒng)的Panel窗口界面Fig.4 Part of the test system on Panel window

3.2.4 CAN網(wǎng)絡(luò)的仿真和測(cè)試

完成上述步驟后，可以實(shí)現(xiàn)CANoe的仿真和測(cè)試功能。需要強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)進(jìn)行仿真調(diào)試時(shí)，需要激活虛擬節(jié)點(diǎn)；而當(dāng)進(jìn)行實(shí)車測(cè)試時(shí)，則要屏蔽這些虛擬節(jié)點(diǎn)。

（1）網(wǎng)絡(luò)仿真

評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能的技術(shù)指標(biāo)一般包括網(wǎng)絡(luò)傳輸速率、報(bào)文平均發(fā)送頻次、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率，信號(hào)延遲時(shí)間（網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間）、報(bào)文周期等因素。網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí)需要對(duì)這些因素進(jìn)行逐一的分析，了解其對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能的影響程度并根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)整，這對(duì)于前期進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和開發(fā)時(shí)起到了一定的借鑒作用，CAN總線仿真界面如圖5所示。

圖5 CANoe的仿真界面圖Fig.5 The simulation interface figure of CANoe

為改善網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率，需要對(duì)報(bào)文平均發(fā)送頻次、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率，信號(hào)延遲時(shí)間（網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間）和報(bào)文周期等進(jìn)行合理的調(diào)整。一般情況下，經(jīng)過(guò)調(diào)整后的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率建議是在30%左右，可有效地防止出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況。

（2）網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

為了保證CAN總線網(wǎng)絡(luò)的正確性和魯棒性，需要對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試和實(shí)車診斷測(cè)試，主要包括以下幾個(gè)方面：

a.物理層測(cè)試

由于信號(hào)傳輸波形的質(zhì)量決定了CAN總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，所以需要?duì)物理層進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)，確保各節(jié)點(diǎn)或系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)、物理電平特性等方面的性能，也是保證節(jié)點(diǎn)能夠正確連接入總線的基礎(chǔ)。測(cè)試主要包括了節(jié)點(diǎn)的電阻電容特性、總線終端電阻、CAN線上的物理電平特性、工作電壓范圍及節(jié)點(diǎn)掉電測(cè)試等。

b.數(shù)據(jù)鏈路層測(cè)試

數(shù)據(jù)鏈路層測(cè)試包括網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性測(cè)試、位定時(shí)測(cè)試、采樣點(diǎn)測(cè)試、SJW測(cè)試等內(nèi)容。其中最重要的是網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性測(cè)試。由于影響CAN總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的主要因素是總線傳輸速率、總線負(fù)載率、消息傳輸延遲等，所以雖然在理論設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，在測(cè)試階段還是需對(duì)其進(jìn)行測(cè)試分析。

c.應(yīng)用層測(cè)試

應(yīng)用層測(cè)試包括了上層應(yīng)用層協(xié)議的測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)管理功能的測(cè)試以及故障診斷測(cè)試等方面的內(nèi)容。其包括的內(nèi)容可以是：數(shù)據(jù)庫(kù)使用正確性測(cè)試、通訊周期準(zhǔn)確性測(cè)試、節(jié)點(diǎn)休眠喚醒功能測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)管理功能測(cè)試、電壓影響測(cè)試、總線物理故障測(cè)試、節(jié)點(diǎn)故障自恢復(fù)能力測(cè)試等內(nèi)容。由于CAN總線使用背景的不同，其應(yīng)用層的內(nèi)容也有很大差別，因此應(yīng)用層測(cè)試的內(nèi)容也存在較大差異，需要根據(jù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需求以及設(shè)計(jì)文檔仔細(xì)制定應(yīng)用層測(cè)試的內(nèi)容。值得注意的是，對(duì)于CAN總線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，其應(yīng)用層測(cè)試一般不涉及功能測(cè)試的范圍，功能測(cè)試一般屬于模塊測(cè)試的范疇。

在測(cè)試過(guò)程中還需要注意整車的實(shí)驗(yàn)環(huán)境及車艙內(nèi)的布置環(huán)境對(duì)過(guò)程的影響，例如電磁干擾、過(guò)熱、噪聲或震動(dòng)等都可能影響網(wǎng)絡(luò)的正常通訊功能及測(cè)試的結(jié)果，嚴(yán)重時(shí)還可能造成電子控制模塊的損壞。

在任一階段的測(cè)試出現(xiàn)異常情況時(shí)，排故流程基本如下：

1.先檢查通訊線路是否出現(xiàn)故障，例如對(duì)地短路，對(duì)電壓短路或開路故障；

2.再考慮電子控制模塊內(nèi)部可能出現(xiàn)的短路故障；

3.最后考慮實(shí)車環(huán)境的影響，可通過(guò)更改線路走向或增加屏蔽措施等改善實(shí)車環(huán)境。

d.實(shí)車診斷測(cè)試

實(shí)車診斷測(cè)試是對(duì)圖4的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用，該測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)捕獲整車網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膱?bào)文并從中解析出信號(hào)內(nèi)容，將其換算成實(shí)際的信號(hào)值顯示在該系統(tǒng)中，同時(shí)該測(cè)試系統(tǒng)會(huì)對(duì)較為重要的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，判斷其是否在正常范圍內(nèi)，如果參數(shù)出現(xiàn)異常，則在測(cè)試系統(tǒng)的“故障信息”一欄中相應(yīng)警告燈會(huì)點(diǎn)亮，提示測(cè)試人員可能是由于對(duì)應(yīng)的硬件系統(tǒng)或設(shè)備存在故障，需要進(jìn)行診斷排故。

同時(shí)該系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，便于測(cè)試人員進(jìn)行離線分析。

3.2.5 CAN總線網(wǎng)絡(luò)分析

在整車正常通訊的情況下，通過(guò)CANoe軟件還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的性能參數(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)報(bào)文每秒鐘的平均發(fā)送頻次、總線通訊情況和總線負(fù)載率等，如圖6，圖7及圖8所示。

圖6 報(bào)文每秒鐘的平均發(fā)送頻次Fig.6 The average delivery frequency of message per second

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)CANoe軟件完成了電動(dòng)汽車總線測(cè)試系統(tǒng)的程序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)汽車CAN總線的節(jié)點(diǎn)仿真功能；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整車網(wǎng)絡(luò)性能的確認(rèn)；利用Panel窗口的編輯，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交互功能；借助CANcaseXL板卡的配合，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、采集及離線分析功能。

圖7 總線實(shí)際通訊情況Fig.7 CAN bus actual communication situation

圖8 總線負(fù)載率情況Fig.8 CAN bus loading rate

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