車用CAN總線測試平臺(tái)的研發(fā)與應(yīng)用

引言

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展及對(duì)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(tǒng)布線方法設(shè)計(jì)的高檔車中,其電線的長度可達(dá)2km ,電氣節(jié)點(diǎn)數(shù)可能高達(dá)1500 個(gè),并且保持大約每10 年增長1 倍的發(fā)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(jìn)一步電子化的最大障礙。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展為解決此問題提供了可能。

各大汽車廠商從上世紀(jì)70 年代末就開始進(jìn)行車用網(wǎng)絡(luò)的研究,車用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化研究也在國外迅速地發(fā)展起來。到90 年代初,協(xié)議的研發(fā)到了相對(duì)成熟的階段,由于車用電氣的種類繁多,對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度和成本要求差異較大,因此呈現(xiàn)出多元化的趨勢。這些車用協(xié)議中較為突出的是BOSCH公司于20 世紀(jì)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(jí)及特殊用途的網(wǎng)絡(luò)協(xié)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(yīng)用中的MOST 等協(xié)議。

電動(dòng)汽車是為解決燃油危機(jī)和環(huán)境污染問題孕育而生的。與傳統(tǒng)汽車相比,它的電子裝置更多而且相互間的關(guān)聯(lián)性更強(qiáng),因此數(shù)據(jù)通信更為重要。各類電動(dòng)汽車中的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集反映整車和零部件的運(yùn)行狀態(tài)以及駕駛員意愿的參數(shù),并發(fā)送相關(guān)運(yùn)行指令。這些功能的實(shí)現(xiàn)都對(duì)ECU 之間的通信提出了很高的要求,并直接影響了車輛的運(yùn)行性能和安全性。

我國傳統(tǒng)車用網(wǎng)絡(luò)、總線、通訊協(xié)議的研究起步較晚,基礎(chǔ)相當(dāng)薄弱,目前在國家“十五”863 計(jì)劃的支持下,CAN 總線在各電動(dòng)汽車整車中得到廣泛應(yīng)用。在自主研發(fā)電動(dòng)汽車的過程中,充分借鑒、吸收國外的經(jīng)驗(yàn),制定出電動(dòng)汽車用網(wǎng)絡(luò)、總線、通信協(xié)議,可更快地提升我國在此方面的技術(shù)水平。

車輛系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的研制需事先搭建仿真系統(tǒng)來模擬網(wǎng)絡(luò),調(diào)整和改進(jìn)設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的制定和實(shí)施,必須對(duì)其核心的性能指標(biāo)通過仿真或?qū)嶋H測試進(jìn)行評(píng)價(jià),這樣才能保證在實(shí)際應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)正常工作和滿足系統(tǒng)的要求。這一過程對(duì)于網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)ECU節(jié)點(diǎn)而言都是需要進(jìn)行的。車用CAN 總線測試臺(tái)就是在國家“十五”863 計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)支持下研發(fā)的,通過公共平臺(tái)的建設(shè),可以對(duì)車用總線協(xié)議進(jìn)行仿真測試,對(duì)整車系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行評(píng)估,并可以對(duì)關(guān)鍵零部件的通訊性能進(jìn)行測試與評(píng)估。

現(xiàn)有CAN 總線網(wǎng)絡(luò)分析評(píng)價(jià)方法評(píng)述

目前,對(duì)CAN 總線的分析評(píng)價(jià)方法主要有數(shù)學(xué)建模、網(wǎng)絡(luò)一致性分析及直接測試分析。其中數(shù)學(xué)建模通常用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)初期和開發(fā)過程中,它是對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃。而一致性測試及直接測試分析主要是在開發(fā)后期,網(wǎng)絡(luò)投入使用后進(jìn)行,用來對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行真實(shí)的評(píng)價(jià)。

數(shù)學(xué)建模法是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,用演繹推理求解,該模型用數(shù)學(xué)形式表示系統(tǒng)的特性和行為,并利用計(jì)算機(jī)協(xié)助運(yùn)算,來分析網(wǎng)絡(luò)的性能。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的不同結(jié)構(gòu),作一些合理的近似和假設(shè),建立一些粗略的關(guān)系表達(dá)式,來表示各個(gè)參量之間的關(guān)
系。

網(wǎng)絡(luò)一致性測試就是測試一個(gè)應(yīng)用裝置是否兼容一個(gè)給定的規(guī)范或協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議制定完成之后,各開發(fā)單位就會(huì)根據(jù)協(xié)議各自對(duì)組件進(jìn)行獨(dú)立的開發(fā),當(dāng)不同組件構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)時(shí),不同開發(fā)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(chǎn)上的組件是否能正常地通信,通過經(jīng)驗(yàn)選擇進(jìn)行有限數(shù)量的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)來完成。一致性測試工具順序化、結(jié)構(gòu)化地對(duì)一致性測試協(xié)議中描述的內(nèi)容進(jìn)行測試,測試內(nèi)容可以按實(shí)時(shí)性的要求級(jí)別進(jìn)行分類。在汽車的應(yīng)用上,有些測試已經(jīng)成為國際標(biāo)準(zhǔn),例如ISO 16845 描述了CAN 的一致性測試。

直接測試分析,是在真實(shí)CAN 總線上借助測試設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)性能評(píng)估。評(píng)價(jià)總線系統(tǒng)核心性能的主要指標(biāo)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(shí)時(shí)間;節(jié)點(diǎn)ECU 的通訊負(fù)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(shè)備,都可以對(duì)CAN 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試。它們的主要特點(diǎn)是分析總線上運(yùn)行的數(shù)據(jù)。

以上三種評(píng)價(jià)方法都具有不同的特點(diǎn),各自又有一定的局限性。模型仿真與具體實(shí)施存在較大的差距,這種差距有可能使仿真結(jié)果無法具體物理實(shí)現(xiàn)。利用具有嚴(yán)格時(shí)間規(guī)則的計(jì)算機(jī)軟件仿真節(jié)點(diǎn)來代替總線上存在的無序消息的真實(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的部分仿真,其局限性是顯然的。目前已有的網(wǎng)絡(luò)測試產(chǎn)品僅限于對(duì)總線上運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,與具體系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性不大。

CAN 總線實(shí)時(shí)仿真測試平臺(tái)的研發(fā)與應(yīng)用

目前已有的測試工具不能方便地對(duì)一個(gè)分布式實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)的CAN 通訊進(jìn)行全方位的評(píng)價(jià)。為此,我們提出了網(wǎng)絡(luò)在環(huán)的設(shè)計(jì)思想,開發(fā)了CAN總線實(shí)時(shí)仿真測試系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)在自己研發(fā)平臺(tái)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用國外已有的先進(jìn)總線測試工具的產(chǎn)品,可對(duì)CAN 總線通訊網(wǎng)絡(luò)性能、單個(gè)ECU 通訊功能進(jìn)行分析、測試及評(píng)價(jià)。