初洪超，周紅英，龔存昊

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

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汽車電子

VNA在汽車CAN總線數(shù)據(jù)庫開發(fā)的應用

初洪超，周紅英，龔存昊

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

摘 要：車載網(wǎng)絡已經(jīng)廣泛應用于現(xiàn)代汽車電氣系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡設計測試方法是在初期設計，后期經(jīng)過測試進行整改，協(xié)議修改方面存在著諸多不便，平臺的復用性也不夠好，設計時主要是經(jīng)驗起主導作用，很少有理論支持。而采用VNA進行網(wǎng)絡設計則能很好的解決上述問題，不僅可以根據(jù)經(jīng)驗進行設計，還在設計之初就對網(wǎng)絡做了時序分析，這樣不僅提高了設計的準確性，還可以減少后期網(wǎng)絡測試的工作量，縮短網(wǎng)絡開發(fā)周期，對平臺的建設也會起到很好的推動作用。

關(guān)鍵詞：車載網(wǎng)絡；VNA；問時序分析；網(wǎng)絡設計；最大功能時間

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.029

CLC NO.: U463.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-85-04

引言

隨著現(xiàn)代汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展，汽車發(fā)動機、底盤和車身等電控系統(tǒng)中的控制單元數(shù)量不斷增加，汽車整車的電氣系統(tǒng)變得越來越復雜，對實時信號傳輸?shù)囊笤絹碓礁?，車載CAN網(wǎng)絡已經(jīng)成為汽車電氣電器工程師的首選。

汽車CAN網(wǎng)絡化不僅能減輕整車的質(zhì)量，而且保證了各個控制模塊之間交互信息及時準確的傳達，從而提高了整車的安全性和舒適性。而如何進行CAN網(wǎng)絡設計，則成為整車網(wǎng)絡化的關(guān)鍵。

目前，自主品牌的汽車對車載網(wǎng)絡應用起步較晚，所以網(wǎng)絡設計方面比較薄弱，處于摸索階段?？偨Y(jié)現(xiàn)有的總線網(wǎng)絡設計方法，主要有兩種：一是以傳輸信息為主，通過大量仿真和測試驗證的傳統(tǒng)設計方法；另一種是通過專業(yè)設計平臺，以協(xié)議設計為主的方法。

1、整車CAN網(wǎng)絡V-model 開發(fā)流程

整車網(wǎng)絡的開發(fā)一般分為：整車功能需求建立、網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu)設計、網(wǎng)絡子系統(tǒng)設計、節(jié)點零部件的需求定義、節(jié)點零部件ECU的功能開發(fā)、軟硬件的集成、網(wǎng)絡單元測試、網(wǎng)絡系統(tǒng)集成測試、功能測試、整體確認等階段，如圖1所示。

在開發(fā)的過程中，參與網(wǎng)絡的各節(jié)點模塊通過CAN總線將各功能構(gòu)建起來，形成整車功能架構(gòu)；整車廠從系統(tǒng)需求到部件需求，完成系統(tǒng)需求規(guī)范和部件需求規(guī)范的制定，并將部件需求規(guī)范下達給供應商;供應商完成部件開發(fā)后，整車廠再從部件測試到系統(tǒng)測試，在多輪樣件和樣車上完成集成和驗證。

CAN網(wǎng)絡架構(gòu)的合理性一定程度上決定了模塊開發(fā)的難易程度、時間周期、可靠性及成本，同時也決定了整車開發(fā)的時間進程、整車通訊穩(wěn)定性。因此好的設計方法及工具可以為整車廠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益。Mentor的工具正好滿足整車廠的需求，開發(fā)階段我們可以用VNA進行設計。

圖1　網(wǎng)絡開發(fā)的V 型流程

2、傳統(tǒng)網(wǎng)絡設計和VNA工具的介紹

2.1 傳統(tǒng)的網(wǎng)絡設計介紹

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡設計是根據(jù)整車功能需求，電器工程師和供應商討論之后確定各模塊硬件規(guī)范，網(wǎng)絡管理規(guī)范，信號列表等信息，供應商根據(jù)這些規(guī)范和產(chǎn)品功能定義進行產(chǎn)品設計。然后搭建臺架來做系統(tǒng)集成方面的測試，當發(fā)現(xiàn)問題后由供應商整改，再進行新一輪的測試。這種設計方式對制定規(guī)范、進行網(wǎng)絡開發(fā)的工程師要求極高，協(xié)議正確與否依賴于工程師的開發(fā)經(jīng)驗和設計水平。前期規(guī)范制定是否合理，參數(shù)的制定是否合理，會對后期系統(tǒng)的集成帶來非常大的影響。一旦設計出現(xiàn)問題，則整改將會不可避免地給供需雙方帶來比較大的工作量，有可能會因此提高研發(fā)成本，耽誤項目進度。

可見，傳統(tǒng)的設計方法是憑借經(jīng)驗來搭建一個平臺，將每個節(jié)點對協(xié)議的要求拼湊起來，通過仿真、測試的方法檢驗協(xié)議的正確性，最終得到通訊協(xié)議，在反復修改過程中，耗費了大量的時間，網(wǎng)絡的正確性也很難去把握。

VNA（Volcano Network Architect）是Mentor公司推出的一款網(wǎng)絡設計軟件，是對整車網(wǎng)絡進行自動化設計的一種工具，它采用自上而下的設計技術(shù)，以設計為核心；是專業(yè)的信息與定時信號捕獲和處理工具，允許根據(jù)網(wǎng)絡需求設計網(wǎng)絡并進行驗證。

2.2 VNA介紹

用VNA進行網(wǎng)絡設計可以對每個功能過程的實際時間進行計算。根據(jù)功能實現(xiàn)的條件，對每個傳輸?shù)男盘柗峙涑鲎罴训闹芷诤虸D，防止異常情況引起的網(wǎng)絡通訊故障，保證了通訊的可靠性。

2.2.1 VNA設計特點

VNA進行網(wǎng)絡設計具有以下特點：

(1)設計特征

1）基于信號定時要求，自動或手動創(chuàng)建通信矩陣；

2）自動或手動定義網(wǎng)關(guān)；對于LIN線通訊可自動或手動定義調(diào)度表；

3）定義“固定”節(jié)點，便于控制沿用不可更改的電子控制器的設計。

適用與多種開發(fā)過程，從傳統(tǒng)的以信息為基礎的通信設計模式，到現(xiàn)代的以基于功能劃分需求的設計模式，或者兩者混合的設計模式。

(2)分析特征

1)通過時序分析VNA可驗證網(wǎng)絡設計是否滿足單個信號或所有時間結(jié)構(gòu)的定時要求；

2）已有ECU是基于“消息幀”定時要求的設計，VNA設計的主要是一種基于“信號”定時要求的設計，為了方便集成已ECU，VNA還特別支持基于“消息幀”定時要求的設計；

3）對通過單個或多個網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行端一端時間分析；

4）數(shù)據(jù)丟失檢測，比如檢測消息在發(fā)送節(jié)點或在接收節(jié)點處的改寫；

5）實時檢測功能，每做一步都可對設計數(shù)據(jù)進行檢測。

2.2.2 VNA設計優(yōu)勢

由于采用了自上而下的設計方式，相較傳統(tǒng)設計方式，使用VNA軟件設計有以下明顯優(yōu)勢：

(1)在設計階段，在產(chǎn)品開發(fā)前找到并解決通訊問題。在開發(fā)階段早期發(fā)現(xiàn)并解決問題，能夠有效提高汽車開發(fā)過程中的生產(chǎn)力；

(2)自動化通訊設計可以在系統(tǒng)設計初期就確保設計的正確性，這樣就可以允許使用者集中精力確保技術(shù)規(guī)范的準確性，這更勝于花費時間在創(chuàng)建例如通過試驗和錯誤方法的通訊矩陣；

(3)用VNA設計的系統(tǒng)具有明確清晰的通訊參數(shù)，從而可以實現(xiàn)自動測試，最大限度的將測試過程中人力的耗費減少到最低，有效地提高了測試的效率；

(4)VNA的劃分允許用戶在它的數(shù)據(jù)庫中儲存并且管理所有的通訊數(shù)據(jù)， 或有利于用戶使用VNA對于設計和／或分析，方便用戶導人和導出其他來源數(shù)據(jù)。

綜上所述，以上幾點實現(xiàn)了一個更加完善的通訊系統(tǒng)的設計，VNA可以對同一節(jié)點的不同供應商?？梢苑珠_管理編輯，還可以對不同的平臺進行復用，因此給主機廠數(shù)據(jù)庫的建設減少了很多工作量，提高工作效率。

3、VNA在某汽車S平臺上的應用

目前，某汽車在S平臺上完全應用VNA進行CAN網(wǎng)絡設計，具體設計過程如下：

3.1.1 編碼類型定義

編碼是為了描述不同信號值之間是如何被被表示的，主要設計內(nèi)容包括信號值、邏輯范圍、物理范圍等。在物理范圍定義過程中涉及到參數(shù)比例因數(shù)和偏移量，它們與信號值的關(guān)系為：

F（x）=比例因數(shù)x+偏移量編碼類型是供信號選擇的，具有相同信號特征的則可選擇同一編碼類型。

圖2

3.1.2 信號定義

在信號創(chuàng)建時，必須定義信號大小、信號類型、信號產(chǎn)生類型、信息類型、編碼類型。信號創(chuàng)建完成后，不同車型都可對其進行復用，為后期其他項目創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫工作帶來便利。

圖3

3.1.3 節(jié)點接口定義

節(jié)點接口定義中除了定義節(jié)點信息和接口控制器外，還將各個信號分別導入節(jié)點中，并定義每個信號的收發(fā)關(guān)系。定義發(fā)送信號中，最重要的是設置發(fā)送延遲時間和寫入間隔。發(fā)送延遲是當信號值在Volcano中可用時從概念生成到第一個V_output()命令的時間，發(fā)送延遲的有效范圍為0～10000ms，一般設為10ms。對于周期型信號，幀周期應該小于寫入間隔，這樣可確保能夠傳輸所有信號值。同樣，定義接收信號時，應設置接收延遲時間、最大時效。最大時效是在信號生成與信號應用之間所要求的最大時間。對于狀態(tài)可變的信號還需設置最大讀間隔，對于固態(tài)信號而言，其值為0。

節(jié)點接口定義時，可對其供應商及樣件版本信息進行定義，如對于EMS而言，它可以分為德爾福和大陸系統(tǒng)，對于同一樣件又可分為A樣件、B樣件等。這樣項目的配置信息就很明確，有利于數(shù)據(jù)庫的完整性和復用性，對下一個項目的網(wǎng)絡設計帶來便利，可減少開發(fā)時間。

圖4

3.1.4 網(wǎng)絡配置

在進行網(wǎng)絡配置時，需將已經(jīng)創(chuàng)建的節(jié)點導入網(wǎng)絡中，如應將EMS節(jié)點導入到高速CAN網(wǎng)絡中，SJB節(jié)點導入車身CAN網(wǎng)絡中。在網(wǎng)絡CAN特性設置中應設置好采樣點、再同步跳轉(zhuǎn)寬度、采樣模式、優(yōu)先級位、濾波位等參數(shù)。這些參數(shù)是之前設計分析之后的一個計算值，可以根據(jù)項目要求及設計經(jīng)驗來判斷這些參數(shù)是否符合，若不符合則進行相應的修改和調(diào)整。

圖5

3.1.5 節(jié)點配置

圖6　節(jié)點配置參數(shù)

節(jié)點配置主要是對節(jié)點控制器硬件參數(shù)的設計確認，包括輸入時鐘頻率、傳輸速率、采樣點、再同步跳轉(zhuǎn)寬度、采樣模式、預分頻因子等。按下計算按鈕，可自動根據(jù)之前的設計進行計算，得出上述參數(shù)值，如圖所示。如果計算所得值不正確，系統(tǒng)會自動提示。根據(jù)提示，對之前的設計進行修改完善。

3.1.6 幀打包方式

幀的打包方式有兩種，如果對于各信號沒有特別要求，則運用VNA自帶的自動打包功能，它可以根據(jù)內(nèi)部機制進行相關(guān)信號打包及周期、ID自動分配。大部分車型的幀ID都是確定的，所以目前我們用得較多的是手動打包方式，在各個信號都會根據(jù)功能分別定義在不同幀中，進行手工分配ID。打包時，要對幀的周期和偏移進行設置，如圖所示：

圖7　幀的ID及周期

在進行信號打包時，每一幀報文的信號都要求有一個單獨的信號與它對應，不允許多幀消息共用同一個信號，即需保證每一個信號的發(fā)送節(jié)點是唯一的。

3.1.7 時序分析

在整個設計過程中設計到輸出/輸入抖動的概念。抖動是任務函數(shù)調(diào)用在“滿期”之后可以延遲的量，而“滿期”取決于調(diào)用的起點。輸出抖動指定了接口輸出調(diào)用滿期的時間和實際完成的時間之間差值的最大值。輸入抖動指定了接口輸入調(diào)用滿期的時間和實際完成的時間之間差值的最大值.輸入抖動和輸出抖動是時變的，用來完成v_input()和v_output()的調(diào)用的，相對于周期事件的發(fā)生并根據(jù)Volcano進程的完成來測量。下面的圖表顯示了如何測量輸出抖動：

圖8　輸入/輸出抖動

E表示最早的v_output() 調(diào)用完成時間，L表示相對于循環(huán)開始的最晚的完成時間。因此輸出抖動就是L減去E。輸入抖動根據(jù)相同原則來測量。

在信號、節(jié)點、網(wǎng)絡等定義時都有時間設置，當所有設計輸入完成后，需要進行一個時序分析，檢查整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的時間設置是否有問題。當出現(xiàn)錯誤或警告時，必須進行相應的檢查然后進行參數(shù)調(diào)整，直到無錯誤出現(xiàn)為止。

時序分析后可生成接收信號的時序報告，顯示了關(guān)于信號路徑和發(fā)送信號的可用總線時間的信息。如圖所示：

總線可用時間（信號）=最大時限（信號）－發(fā)送延遲（信號）－接收延遲（信號）－輸入抖動（接收端）－輸出抖動（發(fā)送端）－幀處理周期（接收端）

圖9　總線可用時間

3.1.8 項目

和對節(jié)點接口定義一樣，為了更好的管理各個項目，建立主機廠自己的電子數(shù)據(jù)庫，在對項目進行定義時，也可以按照上述方法來定義，如圖3，寫明項目平臺和項目代號。并且根據(jù)對話框要求將項目詳細信息填寫清楚，有助于進行產(chǎn)品和設計的追溯。在項目改型設計中，這種管理尤其體現(xiàn)出其優(yōu)勢。

圖10　項目管理

4、總結(jié)

隨著汽車使用的電器設備越來越多，其網(wǎng)絡功能的也將復雜化，VNA軟件對于時序分析功能的強化更加能凸顯它的作用，為網(wǎng)絡設計帶來便利。隨著項目的增加，數(shù)據(jù)庫的管理工作也會越來越繁雜，VNA具有強大的數(shù)據(jù)庫管理功能，數(shù)據(jù)庫具有復用性，有利于平臺化的建設?？傮w來說，VNA使用方便，功能強大，對汽車網(wǎng)絡工程師的設計工作有較大的幫助，在車載網(wǎng)絡設計中具有很好的應用前景。

參考文獻

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[5] 張晉格等. 計算機控制原理與應用. 北京:電子工業(yè)出版社1995.

中圖分類號：U463.6

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)04-85-04

作者簡介：初洪超，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。

The Application of VNA in the JAC Vehicle Network Design

Chu Hongchao, Zhou Hongying, Gong Cunhao
（AnHui JiangHuai Automobile Co., Ltd. Technical Center, Anhui Hefei 230601）

Abstract:Vehicle network has been widely used in modern automotive electrical systems.the traditional test methods of network design isdesign in the initial, the late rectification after testing. While there are a lot of inconvenience.the reusability of the platform is not good enough.And experience plays a dominant role. there is little theoretical support. Network design using VNA can resolve the above problems.the design can not only be based on experience, but also timing analysis can be done at the beginning of the network design .so that not only improves the accuracy of the design, but also can reduce the workload of the network testing, shorten development cycle of the network, will also play a good role in promoting the construction of the platform.

Keywords:Vehicle network; VNA; timing analysis; network design; max_age