楊法松

引言

CAN 是 Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議。在汽車產業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應“減少線束的數(shù)量”、“通過多個LAN，進行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議。此后，CAN 通過ISO11898 及ISO11519 進行了標準化，在歐洲已是汽車網(wǎng)絡的標準協(xié)議。

CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率最高可達1Mbps。

CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。

CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡內的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識符可由11位或29位二進制數(shù)組成，因此可以定義2或2個以上不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。

1、CAN總線測試

1.1 CAN總線測試介紹

CAN總線信號實質上就是電平信號，電平信號的好壞決定著CAN總線信號的穩(wěn)定性和抗干擾能力。因此針對CAN總線的物理層即電平信號特性進行測試；需要測試電平信號的顯隱性電平的電壓、電平信號上升下降的斜率、電平信號的位時間等進行測試。作為 CAN總線信號的發(fā)送和接收者電控單元也需要對其進行物理層的測試驗證。因為電控單元的一些內部特性決定他發(fā)出的信號的電平特性和抗干擾能力；所以要測試電控單元的終端電阻、電控單元的耐高低壓測試、CAN總線故障測試和抗發(fā)動機啟動電壓波動測試。

電控單元的功能實現(xiàn)，需要 CAN總線數(shù)據(jù)的交互；因此需要對 CAN總線信號傳輸?shù)耐ㄐ艑雍蛿?shù)據(jù)鏈路層進行測試。在通信層和數(shù)據(jù)鏈路層測試中，主要關注信號的采樣點測試、報文長度、報文周期、總線負載率和非預期幀接收的測試。這些測試可以保證電控單元數(shù)據(jù)發(fā)送和接收準確性。

1.2 CAN總線物理層測試

CAN總線物理層測試項如表1所示。

CANoe：用來模擬除DUT外其它節(jié)點發(fā)送和接收報文；記錄監(jiān)測總線報文；對DUT進行ACK應答。

CAN示波器：具有CAN/LIN譯碼功能；CAN_H/CAN_L單通道輸入或者 CAN_H/CAN_L采用差分探頭差分輸入；KL15/IGN接入單通道輸入。

注：本文所提到示波器推薦采用 CANscope，也可采用外置示波器。

Powersupply：程控電源，通過PC可控模擬不同供電電壓。

表1

根據(jù)CAN總線物理層測試項的需求，測試連接圖如圖1：

R1R2：選配型終端電阻 120Ω。對于終端型 DUT，需選配R1或R2；對于非終端型DUT，需同時配置R1與R2。

測試評判標準如表2所示：

表2

1.3 CAN數(shù)據(jù)鏈路層和通信層測試

CAN數(shù)據(jù)鏈路層和通信層項如表3所示：

表3

根據(jù)CAN總線物理層測試項的需求，測試連接圖如圖2：

CANoe：用來模擬除DUT外其它節(jié)點發(fā)送和接收報文；記錄監(jiān)測總線報文；對DUT進行ACK應答。

CAN Stress(DR)：模擬總線物理干擾。

CAN示波器：具有CAN/LIN譯碼功能；CAN_H/CAN_L單通道輸入或者 CAN_H/CAN_L采用差分探頭差分輸入；KL15/IGN接入單通道輸入。

Powersupply：程控電源，通過PC可控模擬不同供電電壓。

R1R2：選配型終端電阻 120Ω。對于終端型 DUT，需選配R1或R2；對于非終端型DUT，需同時配置R1與R2。

測試評判標準如表4所示：

表4

2、CAN總線測試自動化實現(xiàn)

2.1 CAN總線測試硬件組成

CAN總線測試自動化的實現(xiàn)，需要搭建自動化測試機柜；機柜設計包括機柜的結構布置設計和內部走線設計，具體設計需求如下：

機柜具有空氣開關，緊急制動開關等安全操控按鈕；

分層安裝電源控制模塊、顯示器、程控電源、高精度網(wǎng)絡示波器、CANstressDR、CAN-LIN外圍電路模擬模塊、抽屜、程控萬用表、工控機；

電源管理模塊

用于控制測試系統(tǒng)的整體供電，可以控制電源的通斷，同時具備短路保護和緊急制動功能。PDU電源模塊有防止突然斷電或短路等而損壞設備的自我保護能力；有獨立開關實現(xiàn)啟動和關閉。

電源管理模塊輸入為220V標準電壓，內部集成了12V電壓轉換模塊，直接給 CAN-LIN外圍電路模擬模塊供電，另再分出一路電源，給程控電源供電。

網(wǎng)絡測試系統(tǒng)內部電源走線設計的示意圖如如下：

程控電源

程控電源可以通過GPIB 接口與測試主機相連，由軟件程序直接控制其輸出，給被測節(jié)點供電和給測試臺架系統(tǒng)提供電源輸入，參數(shù)如下：

輸出電壓：0～80V；

輸出電流：0～100A；

尺寸為標準19寸/1U上架形式，無需設計面板和插箱；

電源輸出電壓可通過功能測試系統(tǒng)自動進行控制，也可手動實現(xiàn)電壓調節(jié)；

具備USB程控接口；

型號：Agilent6700B（基礎模塊）+N6752A（電壓模塊）

該型號程控電源的優(yōu)勢為多模塊電源，最多支持4模塊輸出，且恒流源與電壓源之間可以任意切換，以實現(xiàn)11898-2中的測試項。程控電源示意如下圖所示：

電源控制原理示意圖如下圖所示：

高精網(wǎng)絡示波器

主要實現(xiàn)對 CAN信號輸出特性的精確捕捉、測量及分析，控制主機可通過示波器程控接口支持 CAN網(wǎng)絡的物理層測試。功能要求：

差分探頭，具有常規(guī)示波器的功能；

頻帶寬度：100MHZ；

采樣率：4GSa/S；

具備CAN/LIN信號采集分析能力；

可同時測量兩路不同速率的CAN信號；

測量時自動獲取波特率；

具備4個測量通道；

具備USB程控接口；

型號：Agilent MSO-X 3014A。

CANstress DR

CANstress DR主要實現(xiàn)對CAN網(wǎng)絡的物理屬性和邏輯電位進行干擾，將其直接串連到CAN 網(wǎng)絡中，通過CANoe編程實現(xiàn)各種觸發(fā)條件與干擾邏輯控制，包括：

線間短路，線/電源（地）短路，斷路；

位錯誤的模擬；

通過破壞 CAN報文特定的位域，對節(jié)點有目的施加干擾；

VN1640(CANoe)

VN1600產品系列是Vector公司最新CAN/LIN總線測試產品。其中本項目中使用的VN1640帶有4路CAN/LIN接口，且CAN/LIN接口可隨意配置。CANoe軟件具有以下實用測試功能：

支持 dbc/ldf等文件格式的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)文件；

支持節(jié)點的仿真；

支持CAN、LIN 各類數(shù)據(jù)格式（如：.asc）的回放功能，在Configuration Setting界面中修改Animation Factor可以改變回放速度；

回放數(shù)據(jù)最大可達10G；

當存儲數(shù)據(jù)量大于2G時，CANoe會將此log文件另存；

支持回放快、慢的自由設置功能；

測試用例運行過程中，測試可暫停；在取消暫停功能后，測試能繼續(xù)運行；

接口面板

測試臺架線束與功能測試系統(tǒng)機柜的接口端子，覆蓋各被測ECU的I/O、總線以及電源引腳，不同ECU的線束通過不同的接口連接，方便靈活測試。

工控機

工控機用于運行軟件環(huán)境，開發(fā)和管理整個測試項目。工控機相關參數(shù)如下：

4U高度，能夠安裝于標準19寸機柜；

可鎖前門，防止未經許可的訪問；

雙核2.8G/內存2G/硬盤500G；

具備至少8個USB2.0接口，1個COM接口以及TCP/IP接口、5個PIC接口；

針對以上技術要求，選用研華(Advantech) 4U 上架式機箱，如下圖10所示：

走線設計

機柜內部走線指機柜各層之間信號交聯(lián)。

對于機柜內部走線采用端子排和連接器配合導軌及線槽實現(xiàn)暗藏式走線，其示意圖如下：

自動測試板卡

測試插箱的內部為5塊控制板卡及1塊預留的16通道I/O板卡組成（均為Hirain根據(jù)11898協(xié)議要求研發(fā)，并已在其他項目中驗證應用），各個板卡的功能是采用NI-6509來實現(xiàn)的?？刂瓢蹇ㄌ峁┤缦鹿δ埽?/p>

控制：控制板整體控制整個機柜的電源及控制信號，通過對繼電器矩陣的控制實現(xiàn)對3路CAN通道，2路LIN通道，實現(xiàn) CANH(LIN)、CANL、GND、Power Supply 、 WakeUp Line等的控制；

故障注入：可實現(xiàn)CAN_H/CAN_L對Vbat/GND的短路，CAN_H對CAN_L斷路，CAN_H/CAN_L斷路等網(wǎng)絡故障注入功能；

預留IO輸入輸出控制端口：共12路可靈活配置的IO端口，例如：可靈活配置3.3V、5V、12V、24 V輸出；

數(shù)字萬用表

數(shù)字萬用表用于測試過程中測試電壓、電阻及電流等值。萬用表相關參數(shù)如下：

7.5 位分辨率可進行高靈敏度的 DCV 和電阻測量：100 pV 和 100 n

內置低噪聲雙通道掃描儀；

采用 SPRT 探頭進行溫度測量，精度高達 0.003 ℃；

數(shù)字萬用表示意圖如下所示：

2.2 CAN總線測試執(zhí)行

根據(jù)硬件構成搭建的測試機柜如下圖15所示：

根據(jù)CAN總線測試需求，程控電源、CANoe、示波器、數(shù)字萬用表、CAN外圍板卡和CANStress有效的集成在測試機柜中。示波器用來測試監(jiān)控電控單元電平信號的顯隱性電壓，電平信號跳變的上升下降斜率和信號位時間。程控電源用來控制電控單元的供電，可以實現(xiàn)高低壓通信的測試，并且配合CAN外圍板卡，實現(xiàn)CAN總線故障測試。數(shù)字萬用表用來測試電控單元的終端電阻。CANStress是總線干擾儀，實現(xiàn)對CAN總線的干擾busoff測試，并測試CAN總線的采樣點。CANoe是CAN總線的監(jiān)測、仿真、測試工具；對總線報文時間周期、報文長度等測試；仿真總線報文對電控單元測試非預期幀和預期幀的反饋。

程控電源、示波器、數(shù)字萬用表、CAN外圍板卡和CANStress可以開放外圍調用程序；CANoe具有調用其他端口和設備的功能，在CANoe自帶的編程軟件CAPL中將這些設備的調用庫函數(shù)進行聲明；就可以進行調用。用 CAPL編寫測試評判標準，然后采集這些設備測試數(shù)據(jù)，進行測試驗證。

將程控電源、示波器、數(shù)字萬用表等設備的調用函數(shù)生成為CANoe識別的.cin文件，在測試主程序當中對設備庫函數(shù)進行聲明。函數(shù)聲明如圖16：

先將采集標志位清零，然后接收程控電源、示波器、數(shù)字萬用表等設備的測試數(shù)據(jù)。上升斜率數(shù)據(jù)采集如圖17：

將測試數(shù)據(jù)與評判標準進行對比，如果符合就輸出通過，并上傳通過數(shù)據(jù)；如果失敗就輸出錯誤，上傳錯誤數(shù)據(jù)；在測試報告中打印這些結果和測試數(shù)據(jù)；最后將測試數(shù)據(jù)和測試條件等標志位清空。上升斜率測試數(shù)據(jù)評判如圖18：

3、CAN總線測試自動化結果

3.1 物理層測試結果

將 CANoe CAPL軟件上傳的測試結果和測試數(shù)據(jù)添加到測試報告中，形成物理層測試報告。其中的一部分測試數(shù)據(jù)如表五，其中顯性電壓測試截圖如圖19：

表5

3.2 數(shù)據(jù)鏈路層和通信層測試結果

表6

數(shù)據(jù)鏈路層和通信層測試項主要通過 CANoe測試完成的，CANoe直接把采集到得數(shù)據(jù)記錄下來，并填寫到測試報告中。其中的一部分測試報告如表6。

4、結論

本論文通過對CAN總線的介紹，引入對CAN總線測試方法和測試標準的介紹。結合測試方法和用到的測試工具；本文詳細闡述了一種通過CANoe測試工具，對其他CAN總線測試工具的調用和管理，達到測試數(shù)據(jù)的采集和評判；實現(xiàn) CAN總線物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和通信層自動化測試的方法。

本文介紹的這種 CAN總線自動化測試方法，實現(xiàn)了總線測試的平臺化；大大節(jié)省了總線測試時間，縮短了總線開發(fā)周期；有效的推進了整車項目進度。

[1] 王立萍．CAN網(wǎng)絡在汽車控制方法的應用[J]．工業(yè)儀表與 自動化裝置，2009(5)：77—79．

[2] 梁銳．NI軟硬件平臺在汽車 ECU開發(fā)和測試中的應用[J]．世界 電子元器件，2007(12)：61—63．

[3] ISO 11898-1, Road vehicles - Controller area network (CAN) - Part 1: Data link layer and physical signaling.

[4] ISO 11898-2, Road vehicles - Controller area network(CAN) - Part 2:High-speed medium access unit.

[5] ISO 15765-1, Road vehicles - Diagnostics on Controller Area Networks (CAN) - Part 1: General information.