車載CAN網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議監(jiān)測平臺(tái)的研究

張津蕾

摘 要：面向?qū)ο缶帉慍AN總線驅(qū)動(dòng)接口程序，運(yùn)用VC++6.0實(shí)例化，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)上層用戶界面。在車載CAN網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議監(jiān)測程序中，封裝實(shí)現(xiàn)CAN總線通訊的功能，為監(jiān)測人員提供交互式的程序接口，并在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的檢測功能。最后將PC機(jī)作為虛擬ECU通過CAN總線與被測ECU相連接，利用MATLAB/Simulink建立仿真測試模型，利用該測試模型控制MACS565通過總線進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)CAN總線高層協(xié)議監(jiān)測平臺(tái)的構(gòu)建。

關(guān)鍵詞：CAN總線；車載網(wǎng)絡(luò)；實(shí)時(shí)監(jiān)控

隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，車輛上電控系統(tǒng)的數(shù)量不斷增多，且功能越來越復(fù)雜。很多汽車采用了多個(gè)電腦，如奔馳600SEL采用了超過20個(gè)電控模塊。每一個(gè)電腦都需要與多個(gè)傳感器及執(zhí)行器之間發(fā)生通信，而每一個(gè)輸入、輸出信號又可能與多個(gè)電腦之間發(fā)生通信。如果每一個(gè)電控系統(tǒng)都獨(dú)立配置一整套相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行器，汽車的各個(gè)部位將產(chǎn)生大量的線束、插件，這樣不僅會(huì)增加汽車生產(chǎn)車間組裝工人的裝配困難以及車身重量，也會(huì)增加汽車售后維修人員對故障診斷、維修的難度。另外，為了提高汽車綜合控制的準(zhǔn)確性，綜合控制系統(tǒng)也迫切需要輸入、輸出信號及數(shù)據(jù)的共享。當(dāng)電控模塊共享輸入信息時(shí)，就能對汽車進(jìn)行更為復(fù)雜的控制[1]。

控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）是一種串行數(shù)據(jù)通信總線，其通信速率達(dá)到1 MB/s。CAN總線的最大特點(diǎn)之一是任一節(jié)點(diǎn)所傳送的數(shù)據(jù)信息不包含傳送節(jié)點(diǎn)或接收節(jié)點(diǎn)的地址。信息的內(nèi)容通過一個(gè)標(biāo)識(shí)符（ID）作上標(biāo)記，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，該標(biāo)識(shí)符有且只有一個(gè)。網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)接收到信息后，每一節(jié)點(diǎn)都對這個(gè)標(biāo)識(shí)符進(jìn)行測試，以判斷信息內(nèi)容是否與己相關(guān)。若是相關(guān)信息.它將得到處理；否則即被忽略。采用該方式的優(yōu)點(diǎn)是可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，也可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)[2]。

另外，標(biāo)識(shí)符還決定了信息的優(yōu)先權(quán)。ID值越小，其優(yōu)先權(quán)越高。當(dāng)存在2個(gè)或2個(gè)以上節(jié)點(diǎn)爭用總線時(shí)，CAN將采用ID進(jìn)行仲裁，確保具有最高優(yōu)先權(quán)信息的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先獲得總線使用權(quán)。

一、監(jiān)控平臺(tái)的基本架構(gòu)

（一）總體結(jié)構(gòu)

在汽車電控系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)實(shí)際需要，使用了OSI所定義的七層標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議層次結(jié)構(gòu)中的四層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層，其層次結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能，在CAN總線及其控制器中實(shí)現(xiàn)，ISO11898對其做了具體定義[3]，而傳輸層和應(yīng)用層則需要用戶自行定義和設(shè)計(jì)。

通訊協(xié)議自動(dòng)診斷測試系統(tǒng)主要由以下幾部分功能部件組成：（1）CAN總線驅(qū)動(dòng)程序，它是測試系統(tǒng)與CAN總線硬件在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層上的接口程序；（2）模擬OSEK操作系統(tǒng)應(yīng)按照OSEK操作系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度算法，控制CAN總線上消息的發(fā)送和接收；（3）作為傳輸層的TP2.0傳輸協(xié)議動(dòng)態(tài)鏈接庫應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)全功能的ECU傳輸協(xié)議；（4）作為應(yīng)用層的關(guān)鍵字協(xié)議KWP2000，從用戶界面接收用戶定義數(shù)據(jù)，按照各自協(xié)議的規(guī)定產(chǎn)生格式化的數(shù)據(jù)，并交給下層的傳輸協(xié)議傳送到CAN總線上；（5）最上層的Windows圖形用戶界面，則為測試人員提供了交互式的程序接口。本文完成了最下層的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層上的CAN總線驅(qū)動(dòng)接口程序，以及最上層的用戶界面的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)了CAN總線通訊協(xié)議監(jiān)測平臺(tái)的搭建。

（二）硬件結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的閉環(huán)監(jiān)測與控制，監(jiān)測平臺(tái)的硬件應(yīng)該包括：

1.能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的PC機(jī)；

2.與汽車電氣控制系統(tǒng)兼容的CAN總線和總線控制器；

3.必需的接入總線節(jié)點(diǎn)的IO接口；

在該系統(tǒng)中使用的接口卡是Vector公司出產(chǎn)的CANcaseXL USB2.0接口卡。該接口卡具備高性能的處理器、USB 2.0接口、32位微處理器、靈活的硬件設(shè)計(jì)、外殼穩(wěn)固、連接強(qiáng)壯，能夠滿足高端應(yīng)用，也適用于野外環(huán)境[4]。

4.總線節(jié)點(diǎn)ECU，即實(shí)節(jié)點(diǎn)；

該系統(tǒng)中使用的實(shí)節(jié)點(diǎn)包括MACS565主控模塊和電子節(jié)氣門控制模塊。MACS565是由荷蘭TNO公司開發(fā)的一套汽車電控系統(tǒng)快速原型開發(fā)平臺(tái)，主要有主控制器、WinSpecs監(jiān)控軟件、I/O模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、電子節(jié)氣門專用模塊ETC-Node等模塊組成，幾個(gè)模塊之間可通過CAN總線或以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

（三）軟件結(jié)構(gòu)

建立CAN總線通訊協(xié)議監(jiān)測平臺(tái)，使用到的軟件有：

1.MATLAB/Simulink

2.WinSpecs監(jiān)控軟件

3.車載CAN網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議監(jiān)測程序

開發(fā)過程中采用的操作系統(tǒng)為Windows XP Professional；軟件開發(fā)工具為Microsoft Visual C++6.0。系統(tǒng)上位機(jī)軟件運(yùn)行環(huán)境為安裝了Microsoft Visual C++6.0的Windows 2000/XP操作系統(tǒng)。

二、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在本文中，用戶界面是采用Visual C++開發(fā)工具中的MFC來設(shè)計(jì)的。MFC中應(yīng)用程序的編寫可以分為兩個(gè)階段，可視化設(shè)計(jì)階段和代碼設(shè)計(jì)階段。可視化設(shè)計(jì)，就是設(shè)計(jì)對話框，在其中適當(dāng)?shù)奈恢锰砑踊騽h除適當(dāng)?shù)目丶?，使其外觀符合設(shè)計(jì)者的要求。代碼設(shè)計(jì)，就是為每一個(gè)控件設(shè)計(jì)相應(yīng)的代碼，使其完成相應(yīng)的動(dòng)作[5]。本文研發(fā)的車載CAN網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議監(jiān)測程序可分為兩個(gè)模塊：界面模塊和功能模塊。功能模塊內(nèi)封裝了實(shí)現(xiàn)CAN總線通訊功能的功能接口函數(shù)，而界面模塊內(nèi)封裝了與實(shí)現(xiàn)用戶界面上的控件功能相關(guān)的成員函數(shù)[6]。

運(yùn)行后，用戶界面如圖1所示。

圖1 車載CAN網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議監(jiān)測平臺(tái)用戶界面

三、功能驗(yàn)證與評價(jià)

（一）監(jiān)測對象

為了驗(yàn)證CAN網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議監(jiān)測程序是否滿足設(shè)計(jì)時(shí)提出的功能需求，并進(jìn)行通訊監(jiān)測試驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)信息，根據(jù)第一章中提出的CAN網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議監(jiān)測平臺(tái)的基本構(gòu)架，借助Vector CANcaseXL接口卡和MACS565快速原型開發(fā)平臺(tái)，搭建了車載CAN網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議監(jiān)測平臺(tái)。

利用MATLAB/Simulink建立仿真測試模型，通過WinSpecs軟件將MATLAB/Simulink建立的模型寫入MACS565汽車電控系統(tǒng)快速原型開發(fā)平臺(tái)的主控制器ECU的FLASH或者RAM存儲(chǔ)器中。該測試模型控制ETC-Node與主控制器之間通過CAN總線進(jìn)行通訊，相互交換數(shù)據(jù)信息。ETC-Node通過對主控制器發(fā)送來的節(jié)氣門開度的期望值信號進(jìn)行計(jì)算，把相應(yīng)的控制信號發(fā)送到驅(qū)動(dòng)電路模塊，由驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)使節(jié)氣門達(dá)到相應(yīng)開度位置。同時(shí)將電子節(jié)氣門的模擬量信號、內(nèi)部信息和狀態(tài)、標(biāo)定信號等以CAN數(shù)據(jù)信息的形式返回給主控制器。測試人員可以通過車載CAN網(wǎng)絡(luò)通訊監(jiān)測程序和Vector CANcaseXL接口卡實(shí)時(shí)控制CAN總線上數(shù)據(jù)信息的讀取和導(dǎo)出，針對所采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析后，可以了解電子節(jié)氣門的工作情況。

（二）功能驗(yàn)證

基于車載CAN總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議監(jiān)測程序的功能需求，針對監(jiān)測程序四個(gè)方面的功能，設(shè)計(jì)了相關(guān)功能驗(yàn)證用例，以驗(yàn)證監(jiān)測程序是否能夠滿足相應(yīng)的功能需求：硬件配置功能、通訊功能、數(shù)據(jù)提取功能和數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。功能驗(yàn)證用例在此不做累述。

（三）監(jiān)測結(jié)果及評價(jià)

根據(jù)功能驗(yàn)證結(jié)果，車載CAN網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議監(jiān)測程序能夠較好地實(shí)現(xiàn)CAN總線的基本通訊功能，監(jiān)測過程中能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)顯示、讀取和導(dǎo)出，車載CAN網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議監(jiān)測平臺(tái)能夠進(jìn)行初步的監(jiān)測試驗(yàn)，通過對導(dǎo)出數(shù)據(jù)的分析，測試人員能夠了解到監(jiān)測過程中的電子節(jié)氣門硬件的工作情況，從而為電子節(jié)氣門的性能檢測提供了手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]（法）胡思德（Daniel ROUCHE）主編.汽車車載網(wǎng)絡(luò)（VAN/CAN/LIN）技術(shù)詳解[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2006年版

[2]李剛炎，宋葉瓊，金海松.CAN及其在轎車中央控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]武漢汽車工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，（2）：6-9

[3]Robert Bosch. CAN Specification Version 2.0[R]，Technical Report， ISO11898，Robert Bosch GmbH，1991

[4]恒潤科技.CANcaseXL.http：//www.hirain.com

[5]陳孟英主編，Visual C++6.0中文入門圖解教程[M]，清華大學(xué)出版社，2000

[6]古樂，史九林編著.軟件測試案例與實(shí)踐教程[M]，清華大學(xué)出版社，2007