CAN總線測(cè)試自動(dòng)化研究

楊法松

引言

CAN 是 Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對(duì)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(duì)可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過多個(gè)LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986 年德國(guó)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(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

CAN總線是德國(guó)BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)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(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率最高可達(dá)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(duì)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(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。

CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)符可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義2或2個(gè)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(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)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(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

1、CAN總線測(cè)試

1.1 CAN總線測(cè)試介紹

CAN總線信號(hào)實(shí)質(zhì)上就是電平信號(hào)，電平信號(hào)的好壞決定著CAN總線信號(hào)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。因此針對(duì)CAN總線的物理層即電平信號(hào)特性進(jìn)行測(cè)試；需要測(cè)試電平信號(hào)的顯隱性電平的電壓、電平信號(hào)上升下降的斜率、電平信號(hào)的位時(shí)間等進(jìn)行測(cè)試。作為 CAN總線信號(hào)的發(fā)送和接收者電控單元也需要對(duì)其進(jìn)行物理層的測(cè)試驗(yàn)證。因?yàn)殡娍貑卧囊恍﹥?nèi)部特性決定他發(fā)出的信號(hào)的電平特性和抗干擾能力；所以要測(cè)試電控單元的終端電阻、電控單元的耐高低壓測(cè)試、CAN總線故障測(cè)試和抗發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電壓波動(dòng)測(cè)試。

電控單元的功能實(shí)現(xiàn)，需要 CAN總線數(shù)據(jù)的交互；因此需要對(duì) CAN總線信號(hào)傳輸?shù)耐ㄐ艑雍蛿?shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行測(cè)試。在通信層和數(shù)據(jù)鏈路層測(cè)試中，主要關(guān)注信號(hào)的采樣點(diǎn)測(cè)試、報(bào)文長(zhǎng)度、報(bào)文周期、總線負(fù)載率和非預(yù)期幀接收的測(cè)試。這些測(cè)試可以保證電控單元數(shù)據(jù)發(fā)送和接收準(zhǔn)確性。

1.2 CAN總線物理層測(cè)試

CAN總線物理層測(cè)試項(xiàng)如表1所示。

CANoe：用來模擬除DUT外其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文；記錄監(jiān)測(cè)總線報(bào)文；對(duì)DUT進(jìn)行ACK應(yīng)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(cè)試項(xiàng)的需求，測(cè)試連接圖如圖1：

R1R2：選配型終端電阻 120Ω。對(duì)于終端型 DUT，需選配R1或R2；對(duì)于非終端型DUT，需同時(shí)配置R1與R2。

測(cè)試評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如表2所示：

表2

1.3 CAN數(shù)據(jù)鏈路層和通信層測(cè)試

CAN數(shù)據(jù)鏈路層和通信層項(xiàng)如表3所示：

表3

根據(jù)CAN總線物理層測(cè)試項(xiàng)的需求，測(cè)試連接圖如圖2：

CANoe：用來模擬除DUT外其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文；記錄監(jiān)測(cè)總線報(bào)文；對(duì)DUT進(jìn)行ACK應(yīng)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(duì)于終端型 DUT，需選配R1或R2；對(duì)于非終端型DUT，需同時(shí)配置R1與R2。

測(cè)試評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如表4所示：

表4

2、CAN總線測(cè)試自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)

2.1 CAN總線測(cè)試硬件組成

CAN總線測(cè)試自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，需要搭建自動(dòng)化測(cè)試機(jī)柜；機(jī)柜設(shè)計(jì)包括機(jī)柜的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)和內(nèi)部走線設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)需求如下：

機(jī)柜具有空氣開關(guān)，緊急制動(dòng)開關(guān)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(luò)示波器、CANstressDR、CAN-LIN外圍電路模擬模塊、抽屜、程控萬用表、工控機(jī)；

電源管理模塊

用于控制測(cè)試系統(tǒng)的整體供電，可以控制電源的通斷，同時(shí)具備短路保護(hù)和緊急制動(dòng)功能。PDU電源模塊有防止突然斷電或短路等而損壞設(shè)備的自我保護(hù)能力；有獨(dú)立開關(guān)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和關(guān)閉。

電源管理模塊輸入為220V標(biāo)準(zhǔn)電壓，內(nèi)部集成了12V電壓轉(zhuǎn)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(luò)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部電源走線設(shè)計(jì)的示意圖如如下：

程控電源

程控電源可以通過GPIB 接口與測(cè)試主機(jī)相連，由軟件程序直接控制其輸出，給被測(cè)節(jié)點(diǎn)供電和給測(cè)試臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)19寸/1U上架形式，無需設(shè)計(jì)面板和插箱；

電源輸出電壓可通過功能測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行控制，也可手動(dòng)實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)；

具備USB程控接口；

型號(hào)：Agilent6700B（基礎(chǔ)模塊）+N6752A（電壓模塊）

該型號(hào)程控電源的優(yōu)勢(shì)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(shí)現(xiàn)11898-2中的測(cè)試項(xiàng)。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(luò)示波器

主要實(shí)現(xiàn)對(duì) CAN信號(hào)輸出特性的精確捕捉、測(cè)量及分析，控制主機(jī)可通過示波器程控接口支持 CAN網(wǎng)絡(luò)的物理層測(cè)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(hào)采集分析能力；

可同時(shí)測(cè)量?jī)陕凡煌俾实腃AN信號(hào)；

測(cè)量時(shí)自動(dòng)獲取波特率；

具備4個(gè)測(cè)量通道；

具備USB程控接口；

型號(hào)：Agilent MSO-X 3014A。

CANstress DR

CANstress DR主要實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)的物理屬性和邏輯電位進(jìn)行干擾，將其直接串連到CAN 網(wǎng)絡(luò)中，通過CANoe編程實(shí)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(cuò)誤的模擬；

通過破壞 CAN報(bào)文特定的位域，對(duì)節(jié)點(diǎn)有目的施加干擾；

VN1640(CANoe)

VN1600產(chǎn)品系列是Vector公司最新CAN/LIN總線測(cè)試產(chǎn)品。其中本項(xiàng)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(shí)用測(cè)試功能：

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

支持節(jié)點(diǎn)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(dá)10G；

當(dāng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大于2G時(shí)，CANoe會(huì)將此log文件另存；

支持回放快、慢的自由設(shè)置功能；

測(cè)試用例運(yùn)行過程中，測(cè)試可暫停；在取消暫停功能后，測(cè)試能繼續(xù)運(yùn)行；

接口面板

測(cè)試臺(tái)架線束與功能測(cè)試系統(tǒng)機(jī)柜的接口端子，覆蓋各被測(cè)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(cè)試。

工控機(jī)

工控機(jī)用于運(yùn)行軟件環(huán)境，開發(fā)和管理整個(gè)測(cè)試項(xiàng)目。工控機(jī)相關(guān)參數(shù)如下：

4U高度，能夠安裝于標(biāo)準(zhǔn)19寸機(jī)柜；

可鎖前門，防止未經(jīng)許可的訪問；

雙核2.8G/內(nèi)存2G/硬盤500G；

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

針對(duì)以上技術(shù)要求，選用研華(Advantech) 4U 上架式機(jī)箱，如下圖10所示：

走線設(shè)計(jì)

機(jī)柜內(nèi)部走線指機(jī)柜各層之間信號(hào)交聯(lián)。

對(duì)于機(jī)柜內(nèi)部走線采用端子排和連接器配合導(dǎo)軌及線槽實(shí)現(xiàn)暗藏式走線，其示意圖如下：

自動(dòng)測(cè)試板卡

測(cè)試插箱的內(nèi)部為5塊控制板卡及1塊預(yù)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(xiàng)目中驗(yàn)證應(yīng)用），各個(gè)板卡的功能是采用NI-6509來實(shí)現(xiàn)的。控制板卡提供如下功能：

控制：控制板整體控制整個(gè)機(jī)柜的電源及控制信號(hào)，通過對(duì)繼電器矩陣的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)3路CAN通道，2路LIN通道，實(shí)現(xiàn) CANH(LIN)、CANL、GND、Power Supply 、 WakeUp Line等的控制；

故障注入：可實(shí)現(xiàn)CAN_H/CAN_L對(duì)Vbat/GND的短路，CAN_H對(duì)CAN_L斷路，CAN_H/CAN_L斷路等網(wǎng)絡(luò)故障注入功能；

預(yù)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(cè)試過程中測(cè)試電壓、電阻及電流等值。萬用表相關(guān)參數(shù)如下：

7.5 位分辨率可進(jìn)行高靈敏度的 DCV 和電阻測(cè)量：100 pV 和 100 n

內(nèi)置低噪聲雙通道掃描儀；

采用 SPRT 探頭進(jìn)行溫度測(cè)量，精度高達(dá) 0.003 ℃；

數(shù)字萬用表示意圖如下所示：

2.2 CAN總線測(cè)試執(zhí)行

根據(jù)硬件構(gòu)成搭建的測(cè)試機(jī)柜如下圖15所示：

根據(jù)CAN總線測(cè)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(cè)試機(jī)柜中。示波器用來測(cè)試監(jiān)控電控單元電平信號(hào)的顯隱性電壓，電平信號(hào)跳變的上升下降斜率和信號(hào)位時(shí)間。程控電源用來控制電控單元的供電，可以實(shí)現(xiàn)高低壓通信的測(cè)試，并且配合CAN外圍板卡，實(shí)現(xiàn)CAN總線故障測(cè)試。數(shù)字萬用表用來測(cè)試電控單元的終端電阻。CANStress是總線干擾儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線的干擾busoff測(cè)試，并測(cè)試CAN總線的采樣點(diǎn)。CANoe是CAN總線的監(jiān)測(cè)、仿真、測(cè)試工具；對(duì)總線報(bào)文時(shí)間周期、報(bào)文長(zhǎng)度等測(cè)試；仿真總線報(bào)文對(duì)電控單元測(cè)試非預(yù)期幀和預(yù)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(diào)用程序；CANoe具有調(diào)用其他端口和設(shè)備的功能，在CANoe自帶的編程軟件CAPL中將這些設(shè)備的調(diào)用庫(kù)函數(shù)進(jìn)行聲明；就可以進(jìn)行調(diào)用。用 CAPL編寫測(cè)試評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，然后采集這些設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

將程控電源、示波器、數(shù)字萬用表等設(shè)備的調(diào)用函數(shù)生成為CANoe識(shí)別的.cin文件，在測(cè)試主程序當(dāng)中對(duì)設(shè)備庫(kù)函數(shù)進(jìn)行聲明。函數(shù)聲明如圖16：

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

將測(cè)試數(shù)據(jù)與評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)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(cuò)誤，上傳錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；在測(cè)試報(bào)告中打印這些結(jié)果和測(cè)試數(shù)據(jù)；最后將測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試條件等標(biāo)志位清空。上升斜率測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)判如圖18：

3、CAN總線測(cè)試自動(dòng)化結(jié)果

3.1 物理層測(cè)試結(jié)果

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

表5

3.2 數(shù)據(jù)鏈路層和通信層測(cè)試結(jié)果

表6

數(shù)據(jù)鏈路層和通信層測(cè)試項(xiàng)主要通過 CANoe測(cè)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(cè)試報(bào)告中。其中的一部分測(cè)試報(bào)告如表6。

4、結(jié)論

本論文通過對(duì)CAN總線的介紹，引入對(duì)CAN總線測(cè)試方法和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的介紹。結(jié)合測(cè)試方法和用到的測(cè)試工具；本文詳細(xì)闡述了一種通過CANoe測(cè)試工具，對(duì)其他CAN總線測(cè)試工具的調(diào)用和管理，達(dá)到測(cè)試數(shù)據(jù)的采集和評(píng)判；實(shí)現(xiàn) CAN總線物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和通信層自動(dòng)化測(cè)試的方法。

本文介紹的這種 CAN總線自動(dòng)化測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)了總線測(cè)試的平臺(tái)化；大大節(jié)省了總線測(cè)試時(shí)間，縮短了總線開發(fā)周期；有效的推進(jìn)了整車項(xiàng)目進(jìn)度。

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

[2] 梁銳．NI軟硬件平臺(tái)在汽車 ECU開發(fā)和測(cè)試中的應(yīng)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.