引言
隨著汽車電子技術的發(fā)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(tǒng)布線方法設計的高檔車中,其電線的長度可達2km ,電氣節(jié)點數(shù)可能高達1500 個,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一步電子化的最大障礙,。計算機網絡化的發(fā)展為解決此問題提供了可能,。
各大汽車廠商從上世紀70 年代末就開始進行車用網絡的研究,車用網絡協(xié)議的標準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(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(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,、多媒體應用中的MOST 等協(xié)議。
電動汽車是為解決燃油危機和環(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聯(lián)性更強,因此數(shù)據(jù)通信更為重要,。各類電動汽車中的控制系統(tǒng)實時采集反映整車和零部件的運行狀態(tài)以及駕駛員意愿的參數(shù),并發(fā)送相關運行指令。這些功能的實現(xiàn)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(tǒng)車用網絡,、總線、通訊協(xié)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(fā)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(xié)議,可更快地提升我國在此方面的技術水平,。
車輛系統(tǒng)網絡的研制需事先搭建仿真系統(tǒng)來模擬網絡,調整和改進設計。網絡協(xié)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(tǒng)的要求,。這一過程對于網絡上的各個ECU節(jié)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(fā)的,通過公共平臺的建設,可以對車用總線協(xié)議進行仿真測試,對整車系統(tǒng)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(xiàn)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(shù)學建模,、網絡一致性分析及直接測試分析,。其中數(shù)學建模通常用于網絡系統(tǒng)開發(fā)初期和開發(fā)過程中,它是對整個網絡進行規(guī)劃。而一致性測試及直接測試分析主要是在開發(fā)后期,網絡投入使用后進行,用來對網絡性能進行真實的評價,。
數(shù)學建模法是建立系統(tǒng)的數(shù)學模型,用演繹推理求解,該模型用數(shù)學形式表示系統(tǒng)的特性和行為,并利用計算機協(xié)助運算,來分析網絡的性能,。根據(jù)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(guī)范或協(xié)議,。在網絡協(xié)議制定完成之后,各開發(fā)單位就會根據(jù)協(xié)議各自對組件進行獨立的開發(fā),當不同組件構成網絡時,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上的組件是否能正常地通信,通過經驗選擇進行有限數(shù)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(xié)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(tǒng)性能評估,。評價總線系統(tǒng)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(jié)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(shù)據(jù),。
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(xiàn),。利用具有嚴格時間規(guī)則的計算機軟件仿真節(jié)點來代替總線上存在的無序消息的真實節(jié)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(shù)據(jù)進行分析,與具體系統(tǒng)的關聯(lián)性不大,。
CAN 總線實時仿真測試平臺的研發(fā)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(huán)的設計思想,開發(fā)了CAN總線實時仿真測試系統(tǒng)。整個系統(tǒng)在自己研發(fā)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(fā)
CAN 總線測試平臺拓撲結構如圖1 所示,它由實時仿真節(jié)點,、待測節(jié)點和運行在PC 上的相關軟件組成,。其中實時仿真節(jié)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(jiān)控軟件發(fā)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(fā)送特定的信息,從總線上接收信息,并上傳其運行狀態(tài);待測節(jié)點為真實網絡系統(tǒng)中的ECU 節(jié)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(jiān)控軟件,。該測試平臺可測試系統(tǒng)的各項指標,如總線負載,、發(fā)送延遲、錯誤統(tǒng)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(jiān)測和分析的工具,同時具有強大的系統(tǒng)仿真功能。CANoe 可以建立系統(tǒng)的仿真結構與節(jié)點,、消息及信號的數(shù)據(jù)庫,通過采用其編程語言CAPL 可以進行節(jié)點仿真,對總線上的數(shù)據(jù)能進行動態(tài)的跟蹤并能顯示統(tǒng)計信息,。它能夠測量的總線數(shù)據(jù)有:總線負載,峰值負載,總線的各種幀數(shù)據(jù)和幀數(shù)統(tǒng)計,在PC 上消息發(fā)送與接收延時。
波形的質量決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?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(fā)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(shù)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(fā)模式可以捕捉一幀CAN 消息或一個錯誤幀的前后相鄰數(shù)據(jù),。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(jié)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(guī)定了CAN 總線對于節(jié)點失靈的容錯能力,因此要根據(jù)要求測量CAN 網絡對于干擾或者節(jié)點失靈情況的容錯能力。為了測試在受到干擾或者節(jié)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(lián)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(jié)點上發(fā)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(fā)生故障的節(jié)點。
CAN總線實時仿真測試平臺的應用
應用該平臺可對系統(tǒng)的通訊能力進行評估,可測試系統(tǒng)的各項指標,如總線負載,、峰值負載,、總線的各種幀數(shù)據(jù)和幀數(shù)統(tǒng)計、發(fā)送延遲,、錯誤統(tǒng)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(yōu)化,評價傳輸介質、總線CAN 收發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)送周期軟件修改前后對比圖。通過測試發(fā)現(xiàn)某條消息的延時比較大,通過軟件進一步優(yōu)化可以消除延時現(xiàn)象,。
(2) 不同網絡拓撲結構的對比測試
利用該系統(tǒng)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(tǒng)的抗干擾能力有很大影響,在實際系統(tǒng)中應注意它的分布位置。
(3) 通訊介質選擇不當?shù)男盘杺鬏敳ㄐ?/p>
通訊介質的選擇對總線系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)在汽車中的應用越來越多,。在分布式實時系統(tǒng)中,網絡的實時性直接影響到系統(tǒng)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(tǒng)中各節(jié)點對網絡信息的響應速度決定。當系統(tǒng)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(jié)點對網絡信息的響應速度,。而目前常用的CAN 總線測試系統(tǒng)都不具備此測試功能,當它們用于分布式實時系統(tǒng)網絡測試時,很難涉及網絡的實時性,。在研發(fā)總線測試平臺時,考慮到整個系統(tǒng)的特點,提出網絡在環(huán)設計方法,將網絡的實時性作為整個測試系統(tǒng)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(xié)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(fā)。對于不同性能的CPU ,整個測試系統(tǒng)的性能會有較大的差別,為此,目前正在開發(fā)更高性能CPU 為核心的測試系統(tǒng),以滿足日益發(fā)展的整車控制系統(tǒng)的需要,。