引言
隨著汽車電子技術的發展及對汽車性能要求的不斷提高,汽車上的電子裝置越來越多。一輛用傳統布線方法設計的高檔車中,其電線的長度可達2km ,電氣節點數可能高達1500 個,并且保持大約每10 年增長1 倍的發展速度。在這種狀況下,粗大的線束與汽車中有限的可用空間之間的矛盾越來越尖銳,而且也成為汽車輕量化和進一步電子化的最大障礙。計算機網絡化的發展為解決此問題提供了可能。
各大汽車廠商從上世紀70 年代末就開始進行車用網絡的研究,車用網絡協議的標準化研究也在國外迅速地發展起來。到90 年代初,協議的研發到了相對成熟的階段,由于車用電氣的種類繁多,對網絡的傳輸速度和成本要求差異較大,因此呈現出多元化的趨勢。這些車用協議中較為突出的是BOSCH公司于20 世紀80 年代初提出的CAN(Controller Area Network) 。還有一些適合不同傳輸速率等級及特殊用途的網絡協議,如低速的LIN、中高速的SAE J1939、用于診斷的KWP2000、用于X-by-wire的TTP、多媒體應用中的MOST 等協議。
電動汽車是為解決燃油危機和環境污染問題孕育而生的。與傳統汽車相比,它的電子裝置更多而且相互間的關聯性更強,因此數據通信更為重要。各類電動汽車中的控制系統實時采集反映整車和零部件的運行狀態以及駕駛員意愿的參數,并發送相關運行指令。這些功能的實現都對ECU 之間的通信提出了很高的要求,并直接影響了車輛的運行性能和安全性。
我國傳統車用網絡、總線、通訊協議的研究起步較晚,基礎相當薄弱,目前在國家“十五”863 計劃的支持下,CAN 總線在各電動汽車整車中得到廣泛應用。在自主研發電動汽車的過程中,充分借鑒、吸收國外的經驗,制定出電動汽車用網絡、總線、通信協議,可更快地提升我國在此方面的技術水平。
車輛系統網絡的研制需事先搭建仿真系統來模擬網絡,調整和改進設計。網絡協議的制定和實施,必須對其核心的性能指標通過仿真或實際測試進行評價,這樣才能保證在實際應用中網絡正常工作和滿足系統的要求。這一過程對于網絡上的各個ECU節點而言都是需要進行的。車用CAN 總線測試臺就是在國家“十五”863 計劃電動汽車重大專項支持下研發的,通過公共平臺的建設,可以對車用總線協議進行仿真測試,對整車系統網絡的性能進行評估,并可以對關鍵零部件的通訊性能進行測試與評估。
現有CAN 總線網絡分析評價方法評述
目前,對CAN 總線的分析評價方法主要有數學建模、網絡一致性分析及直接測試分析。其中數學建模通常用于網絡系統開發初期和開發過程中,它是對整個網絡進行規劃。而一致性測試及直接測試分析主要是在開發后期,網絡投入使用后進行,用來對網絡性能進行真實的評價。
數學建模法是建立系統的數學模型,用演繹推理求解,該模型用數學形式表示系統的特性和行為,并利用計算機協助運算,來分析網絡的性能。根據網絡的不同結構,作一些合理的近似和假設,建立一些粗略的關系表達式,來表示各個參量之間的關
系。
網絡一致性測試就是測試一個應用裝置是否兼容一個給定的規范或協議。在網絡協議制定完成之后,各開發單位就會根據協議各自對組件進行獨立的開發,當不同組件構成網絡時,不同開發單位的組件可能不能正常地通信。一致性測試就是測試不同廠商生產上的組件是否能正常地通信,通過經驗選擇進行有限數量的獨立實驗來完成。一致性測試工具順序化、結構化地對一致性測試協議中描述的內容進行測試,測試內容可以按實時性的要求級別進行分類。在汽車的應用上,有些測試已經成為國際標準,例如ISO 16845 描述了CAN 的一致性測試。
直接測試分析,是在真實CAN 總線上借助測試設備進行系統性能評估。評價總線系統核心性能的主要指標有:總線的傳輸速率;總線吞吐量;總線利用率;消息的傳輸延時時間;節點ECU 的通訊負載;總線的EMC 特性。
CAN 分析工具多種多樣, 從最低端的RS232CAN 分析儀到Vector 公司的一系列CAN 測試及仿真設備,都可以對CAN 網絡進行測試。它們的主要特點是分析總線上運行的數據。
以上三種評價方法都具有不同的特點,各自又有一定的局限性。模型仿真與具體實施存在較大的差距,這種差距有可能使仿真結果無法具體物理實現。利用具有嚴格時間規則的計算機軟件仿真節點來代替總線上存在的無序消息的真實節點進行的部分仿真,其局限性是顯然的。目前已有的網絡測試產品僅限于對總線上運行的數據進行分析,與具體系統的關聯性不大。
CAN 總線實時仿真測試平臺的研發與應用
目前已有的測試工具不能方便地對一個分布式實時控制網絡的CAN 通訊進行全方位的評價。為此,我們提出了網絡在環的設計思想,開發了CAN總線實時仿真測試系統。整個系統在自己研發平臺的基礎上,運用國外已有的先進總線測試工具的產品,可對CAN 總線通訊網絡性能、單個ECU 通訊功能進行分析、測試及評價。
CAN總線實時仿真測試平臺的研發
CAN 總線測試平臺拓撲結構如圖1 所示,它由實時仿真節點、待測節點和運行在PC 上的相關軟件組成。其中實時仿真節點由微處理器與PhilipsSJA100 CAN 控制器構成的真實結點,通過RS485 接收運行在PC 機上配置與監控軟件發送的配置信息,仿真某一特定ECU 的通訊功能,定時向總線上發送特定的信息,從總線上接收信息,并上傳其運行狀態;待測節點為真實網絡系統中的ECU 節點;在PC 機上運行一些相關的測試軟件, 如: CANoe 、CANScope 以及仿真結點配置軟件與監控軟件。該測試平臺可測試系統的各項指標,如總線負載、發送延遲、錯誤統計、MCU 的通訊負載分析及各種干擾對總線的影響等。
CANoe 是進行CAN 通訊網絡監測和分析的工具,同時具有強大的系統仿真功能。CANoe 可以建立系統的仿真結構與節點、消息及信號的數據庫,通過采用其編程語言CAPL 可以進行節點仿真,對總線上的數據能進行動態的跟蹤并能顯示統計信息。它能夠測量的總線數據有:總線負載,峰值負載,總線的各種幀數據和幀數統計,在PC 上消息發送與接收延時。
波形的質量決定了數據傳輸的可靠性,所以要對CAN 總線的物理層進行評價,評價傳輸介質、總線CAN 收發器、終端電阻的分布影響。CANscope 網絡示波器就是CAN 物理層分析工具。它通過串行總線與PC 相連,記錄模塊能數字化CAN 總線上的消息并儲存以便采用軟件進行分析,前觸發模式可以捕捉一幀CAN 消息或一個錯誤幀的前后相鄰數據。分析軟件顯示總線電壓值、差分電壓值及填充位隨時間的變化。在跟蹤窗口中可以顯示CAN 消息幀、消息幀的各個組成部分以及錯誤幀。
CAN 網絡具有很強的錯誤處理能力,當網絡中的節點遭受嚴重干擾時,它能自動脫離總線,從而不會影響整個網絡的信息交互。ISO11519-2 規定了CAN 總線對于節點失靈的容錯能力,因此要根據要求測量CAN 網絡對于干擾或者節點失靈情況的容錯能力。為了測試在受到干擾或者節點失靈的情況下網絡是否還能正常工作,CANstress 模擬總線干擾工具可以直接聯入CAN 總線上,通過軟件控制,可以模擬出各種不同的干擾和失靈情況,以便觀察網絡在干擾和失靈情況下的運行情況。它有兩種工作方式,一種是破壞節點上發送的消息來測試網絡的抗干擾能力。另一種方式是設置外部設備來模擬發生故障的節點。
CAN總線實時仿真測試平臺的應用
應用該平臺可對系統的通訊能力進行評估,可測試系統的各項指標,如總線負載、峰值負載、總線的各種幀數據和幀數統計、發送延遲、錯誤統計、MCU 的通訊負載分析及各種干擾對總線的影響等。同時可對CAN 總線的物理層和網絡拓撲結構進行評價與優化,評價傳輸介質、總線CAN 收發器、終端電阻的分布影響。
下面是幾個對單個ECU 通訊功能、系統的網絡拓撲結構以及通訊介質選擇的測試實例。通過測試,可以進一步改進整個網絡系統的性能。
(1) 單個ECU 通訊部分實時性的對比測試
該測試的目的是觀察相關軟件功能對消息延時的影響,圖2 所示為消息發送周期軟件修改前后對比圖。通過測試發現某條消息的延時比較大,通過軟件進一步優化可以消除延時現象。
(2) 不同網絡拓撲結構的對比測試
利用該系統可測試比較不同拓撲結構時總線的抗干擾能力,圖3 所示為終端電阻位置改變信號傳輸波形對比圖。由圖可看出終端電阻位置的不同對總線系統的抗干擾能力有很大影響,在實際系統中應注意它的分布位置。
(3) 通訊介質選擇不當的信號傳輸波形
通訊介質的選擇對總線系統的通訊是至關重要的。圖4 所示為一種通訊介質的物理層信號圖,與圖3 中終端電阻調整后的物理層信號圖相比,抗干擾能力明顯降低。因此,在設計系統時,應選擇好通訊介質。
結束語
隨著CAN 總線在汽車中的使用,分布式實時系統在汽車中的應用越來越多。在分布式實時系統中,網絡的實時性直接影響到系統的實時性,而網絡的實時性主要由網絡性質、信息流量以及系統中各節點對網絡信息的響應速度決定。當系統的網絡性質和信息流量基本確定之后,與網絡實時性直接相關的是各節點對網絡信息的響應速度。而目前常用的CAN 總線測試系統都不具備此測試功能,當它們用于分布式實時系統網絡測試時,很難涉及網絡的實時性。在研發總線測試平臺時,考慮到整個系統的特點,提出網絡在環設計方法,將網絡的實時性作為整個測試系統實時性的一個重要因素貫穿于整個設計、分析和測試過程。該CAN 總線實時仿真測試平臺為研究制定我國自己的電動汽車通訊協議和測試、評價CAN 總線通訊網絡性能奠定了很好的基礎,同時它可用于車用CAN 總線相關技術的研發。對于不同性能的CPU ,整個測試系統的性能會有較大的差別,為此,目前正在開發更高性能CPU 為核心的測試系統,以滿足日益發展的整車控制系統的需要。