龔存昊，段金亮，余超

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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基于Systemvision的CAN總線物理層仿真系統(tǒng)

龔存昊，段金亮，余超

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘 要：隨著汽車制造技術(shù)的日益成熟，由BOSCH公司提出的CAN總線已經(jīng)成為了車輛領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最成熟和廣泛的總線技術(shù)之一。而CAN總線的物理層協(xié)議則定義了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上物理數(shù)據(jù)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸過程，主要涉及到對(duì)總線電氣特性等參數(shù)的設(shè)定。Systemvision作為Mentor Graphics公司開發(fā)的一款仿真軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整車CAN總線物理層電氣特性的仿真。文章以某搭載CAN總線的車型為例，通過軟件構(gòu)建其物理層模型，仿真出總線電平信號(hào)。根據(jù)其結(jié)果表明，該方法可以為整車E/E架構(gòu)的可靠性提供了驗(yàn)證手段，也同時(shí)為ECU模塊后期的測(cè)試工作奠定了基礎(chǔ)，對(duì)整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：CAN總線；Systemvision；ECU；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.032

CLC NO.: U462.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-94-03

前言

CAN（Controller Area Network）總線協(xié)議最早是由BOSCH公司在1986年推出其正式版，隨后在1992年發(fā)布其第一款帶CAN總線協(xié)議的汽車?，F(xiàn)階段，隨著汽車制造技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車行業(yè)逐漸體現(xiàn)出如下幾個(gè)特點(diǎn)：1）通過基于平臺(tái)化，可以快速的開發(fā)新產(chǎn)品，使得汽車更新?lián)Q代速度明顯增快，新產(chǎn)品開發(fā)周期越來越短，種類增多。2）大多數(shù)整車企業(yè)相較以往，由于汽車需要共享的信息增長(zhǎng)迅速而ECU模塊可以使得汽車本身更安全可靠，舒適度更高。所以汽車中搭載了越來越多的ECU模塊。3）汽車現(xiàn)階段ECU模塊彼此之間交互功能日益頻繁，傳統(tǒng)的線束方式由于其成本較高，構(gòu)造復(fù)雜，而采用網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)可以較完美的解決該項(xiàng)問題，降低了成本的同時(shí)也減少了總線線束的長(zhǎng)度和種類。

相較于目前有些整車企業(yè)使用的LIN協(xié)議和Flexray協(xié)議，由于CAN總線技術(shù)優(yōu)良的成熟性，實(shí)時(shí)性和靈活性，已經(jīng)成為了汽車制造領(lǐng)域內(nèi)使用范圍最廣的一種總線協(xié)議。在國(guó)內(nèi)外大多數(shù)的整車企業(yè)中，已經(jīng)成為了主流的控制器聯(lián)網(wǎng)方式。

1、CAN總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在目前汽車行業(yè)科技發(fā)展和人們消費(fèi)水平不斷升級(jí)的大環(huán)境下，客戶對(duì)于汽車的舒適度，智能化，安全性等要求不斷提高，使得汽車電子電氣模塊的構(gòu)成日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的線束設(shè)計(jì)和原理已經(jīng)無法滿足要求。隨著汽車行業(yè)開發(fā)過程中模塊化和平臺(tái)化的逐漸完善，E/E架構(gòu)已經(jīng)成為了整車平臺(tái)和項(xiàng)目規(guī)劃中不可缺少的前期準(zhǔn)備工作。其通過對(duì)整車線束設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)管理，路由分配，電源管理等多項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行配置，在滿足市場(chǎng)調(diào)研，法律法規(guī)等的基礎(chǔ)上，進(jìn)行成本，性能，裝配等多方面分析，從而獲得最合適的整車電子電氣系統(tǒng)模型。其作用相當(dāng)于整車電子電氣模塊的總布置。

本文中研究和仿真的對(duì)象是某款搭載CAN總線的汽車，該款車型一共搭載兩路CAN總線，本文以其中的車身CAN （BCAN）為例，說明其總線架構(gòu)方式。車身CAN架構(gòu)如圖1所示。

圖1　車身CAN總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由圖1可知，該款車型的車身CAN總線包含了較多的ECU模塊，由于儀表（ICM），車身控制器（BCM），多媒體播放器（MP5），胎壓檢測(cè)（TPMS），倒車?yán)走_(dá)（PDC），無鑰匙啟動(dòng)（PEPS）和空調(diào)（HVAC）均搭載在該網(wǎng)段上，考慮到其負(fù)載率和傳輸速度對(duì)信號(hào)傳輸準(zhǔn)確性的影響，總線采用了500Kbps/s的高速CAN（HSCAN）傳輸方式。該總線傳輸方式依據(jù)CAN BUS2.0A的11位標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)格式的相關(guān)技術(shù)規(guī)范和ISO11898-2協(xié)議。其網(wǎng)絡(luò)傳輸通信報(bào)文格式如表1所示。

表1　CAN BUS2.0A網(wǎng)絡(luò)傳輸通信報(bào)文格式

符合該傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)幀從SOF（Start Of Frame）起始；11位的標(biāo)識(shí)符和RTR位組成了仲裁場(chǎng)，決定了不同報(bào)文發(fā)送的先后順序；一般情況下報(bào)文ID值越小，發(fā)送順序越靠前。DLC位決定報(bào)文的數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度，其最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)（64位）；CRC場(chǎng)用于檢查其傳輸是否出現(xiàn)錯(cuò)誤；ACK場(chǎng)由ACK槽和ACK界定符組成，用于報(bào)文的正常接收。最后報(bào)文以EOF（End Of Frame）結(jié)束。

基于以上所提到的某種車型車身CAN總線的架構(gòu)方式，相較于LIN總線信號(hào)的傳輸方式，CAN網(wǎng)絡(luò)總線為了保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性，防止電磁干擾，采用了雙絞線作為物理傳輸媒介。根據(jù)ISO11898-2協(xié)議所示，由于CAN總線獨(dú)特的雙絞線結(jié)構(gòu)，CAN總線上信號(hào)的傳輸過程實(shí)際上是通過雙絞線差分電平信號(hào)的變化來進(jìn)行控制的，差分電平質(zhì)量的好壞直接決定了總線上信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。所以在協(xié)議中對(duì)其總線信號(hào)電平的幅值，斜率，位時(shí)間等電信號(hào)參數(shù)進(jìn)行了明確的規(guī)定和要求。此外，ECU模塊中的內(nèi)部特性也同時(shí)決定了信號(hào)的電平質(zhì)量和總線抗干擾能力。

2、CAN總線物理層仿真過程的實(shí)現(xiàn)

由于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)決定了不同的ECU模塊在整車上的布局，考慮到CAN總線信號(hào)傳遞的穩(wěn)定性和可靠性，架構(gòu)設(shè)計(jì)者需要對(duì)CAN總線上電氣特性進(jìn)行仿真。

Systemvision是Mentor Graphics公司開發(fā)的一款仿真軟件，可以實(shí)現(xiàn)與VHDL，Spice，Simulink等模塊的集成，在實(shí)際軟件操作中可以將不同模塊的特點(diǎn)與自身軟件相結(jié)合，發(fā)揮其最大優(yōu)勢(shì)。Mentor Graphics公司利用systemvision軟件對(duì)最原始的ECU模塊自身進(jìn)行高精度抽象的仿真，將其分解為Controller（控制器），transceiver（收發(fā)器）及其它相應(yīng)的元件器，其設(shè)置參數(shù)自由度大，范圍廣，可根據(jù)測(cè)試者針對(duì)于不同的測(cè)試環(huán)境設(shè)定其仿真參數(shù)，提高了仿真的準(zhǔn)確性。

在本文仿真中主要利用了Systemvision與其Simulink模塊的相互配合。Systemvision采用基于物理層特征的硬件模型實(shí)現(xiàn)其對(duì)電氣特性實(shí)現(xiàn)控制算法的測(cè)試，并且提供具體的仿真波形和相應(yīng)參數(shù)的計(jì)算；Simulink則用來快速實(shí)現(xiàn)其控制算法并且自動(dòng)產(chǎn)生算法代碼，從而完成最終仿真系統(tǒng)的搭建。通過其仿真結(jié)果得出的電平波形，配合后期相關(guān)波形參數(shù)的計(jì)算和分析，最終對(duì)其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可行性進(jìn)行最終的判定。

2.1 CAN總線仿真系統(tǒng)構(gòu)建

基于上文，本次是以一條CAN總線（以車身CAN為例）上所搭載的ECU模塊作為研究對(duì)象，搭建總線物理模型，對(duì)其物理層的電平信號(hào)進(jìn)行仿真?；诩軜?gòu)模型可以搭建成如圖2所示的拓?fù)鋱D。

圖2　BCAN的ECU模塊架構(gòu)拓?fù)鋱D

下面詳細(xì)介紹BCAN總線物理層仿真系統(tǒng)的建模過程：

首先，依據(jù)圖2的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合ECU模塊的內(nèi)部特性，在Syetemvision中利用Simulink模塊建立具體總線物理層的仿真模型。參照?qǐng)D3所示。

圖3　CAN總線網(wǎng)絡(luò)物理層模型

其次，需要對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)模型中的ECU模塊進(jìn)行具體的內(nèi)部參數(shù)設(shè)置，包括其controller（控制器），transceiver（收發(fā)器），終端電阻及其電容電感的設(shè)定。另外，為了保證仿真測(cè)試的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，需要完成對(duì)CAN總線線束模塊長(zhǎng)度，電阻，類型等參數(shù)的設(shè)定，具體參數(shù)設(shè)置項(xiàng)參照?qǐng)D4，圖5所示。

圖4　ECU模塊的參數(shù)設(shè)置界面

圖5　線束模塊參數(shù)設(shè)置界面

最終需要在Simulation中添加CAN總線上ECU模塊發(fā)送的信號(hào)內(nèi)容，信號(hào)周期和仿真時(shí)間等參數(shù)，從而完成最終總線物理層全部的建模過程。

2.2 仿真結(jié)果及分析

利用Systemvision軟件對(duì)CAN總線物理層中ECU模塊和線束模塊進(jìn)行了電平信號(hào)仿真，并且對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。對(duì)于CAN總線在不同狀態(tài)下的電平差分幅值和其電平上升（下降）斜率仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性現(xiàn)階段主要依據(jù)ISO11898-2協(xié)議進(jìn)行判定。仿真結(jié)果參照?qǐng)D6，圖7所示。

圖6　CAN總線網(wǎng)絡(luò)不同狀態(tài)的電壓值

圖7　CAN網(wǎng)絡(luò)總線不同狀態(tài)的電壓斜率值

參照仿真波形結(jié)果，依據(jù)ISO11898-2協(xié)議對(duì)CAN總線物理層電平相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，首先在圖6中，對(duì)CAN總線在信號(hào)傳輸過程中不同狀態(tài)下的電壓值進(jìn)行了仿真，由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，其總線顯性狀態(tài)和隱性狀態(tài)下的差分電壓分別為1.9V和3.2mV。在圖7中，對(duì)CAN總線電平信號(hào)波形上升（下降）斜率進(jìn)行了仿真，由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，CANH的上升斜率和下降斜率分別為10V/us和29V/us；CANL的上升斜率和下降斜率分別為29V/us和10V/us。

根據(jù)上述仿真波形結(jié)果分析，總線物理層的電平信號(hào)參數(shù)可以滿足ISO11898-2標(biāo)準(zhǔn)，說明其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案可以保證CAN總線物理層信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于Syetemvision的CAN總線物理層仿真系統(tǒng)平臺(tái)，利用其軟件的SimulinK模塊搭建CAN總線物理層上ECU和線束的物理模型，同時(shí)在仿真中設(shè)置了相應(yīng)模塊的非線性參數(shù)，使仿真結(jié)果的真實(shí)性和精確性得到了有效地提升；為整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案提供一種新的驗(yàn)證途徑，也同時(shí)為整車企業(yè)有效地縮短了汽車開發(fā)的周期，對(duì)汽車行業(yè)的發(fā)展有著非常現(xiàn)實(shí)的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭志宏,陳虹,宋同好等.基于Syetemvision的汽車電子節(jié)氣門聯(lián)合仿真系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),011(2):280-283.

[2] 張軍,基于CANoe軟件的電動(dòng)汽車CAN總線測(cè)試系統(tǒng)的研究[J].傳動(dòng)技術(shù),2012（9）:11-13.

[3] 劉宏波,基于CANoe的車身網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù),2012 (2):1-4.

[4] 饒?jiān)茲?現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2003.

[5] BOSCH,CAN Specification Version 2.0[Z].Germany:Robert Bosch GmbH.1991.

[6] ISO 11898-2,Road vehicles-Controller area network(CAN)-part2: High-Speed medium access unit.

CAN Bus Physical Layer Simulation System Based On Systemvision

Gong Cunhao, Duan Jinliang, Yu Chao
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Abstract:With the development of vehicle manufacturing technology, the CAN bus has become the most mature and widely used technology in the vehicle field which is proposed by BOSCH.The physical layer of the CAN bus protocol defines the transmission process of the physical data in the whole network, mainly related to the setting of electrical characteristics.Systemvision is the simulation software designed by Mentor Graphics, which can achieve the physical layer of CAN bus.In this paper, through building the physical layer model by software,the bus voltage signal of vehicle is simulated.And the simulation results can provide areliablebasis for the whole vehicle E/E architecture and the upperECU module test.It has important reference value to the vehicle network architecture.

Keywords:CAN bus; Systemvision; ECU; Network Architecture

作者簡(jiǎn)介：龔存昊，碩士，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

中圖分類號(hào)：U462.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)03-94-03