基于CANoe軟件的電動汽車CAN總線測試系統(tǒng)的研究

張 軍

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海200030）

1 引言

CAN總線是德國BOSCH公司在20世紀80年代初為解決汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種通訊協(xié)議。由于CAN總線具有突出的可靠性、實時性和靈活性，因而得到了業(yè)界的廣泛認同和運用，并在1993年正式成為國際標準和行業(yè)標準，被譽為“最有前途的現(xiàn)場總線”之一。以CAN為代表的總線技術在汽車上的應用不但減少了車身線束，也提高了汽車的可靠性。在國外現(xiàn)代轎車的設計中，CAN已經(jīng)成為了必須采用的技術，奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃及雷諾等轎車也都將CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的方式。由于純電動汽車動力平臺部件之間通訊較多，若單純使用車身線束，必然導致線束雜亂，給整車布置以及故障診斷帶來了一定的困難，采用CAN總線網(wǎng)絡可以很好的解決這些問題。

2 CAN總線網(wǎng)絡架構

本文研究的對象是一款純電動汽車，該電動汽車的CAN總線網(wǎng)絡架構如圖1所示。

圖1 電動汽車CAN總線網(wǎng)絡架構Fig.1 Electric vehicle CAN bus network architecture

該款汽車的網(wǎng)絡架構由諸多控制系統(tǒng)組成，考慮到電池管理系統(tǒng)、電機控制器、組合儀表、電動空調系統(tǒng)及整車控制器等節(jié)點都搭載在同一條CAN總線上，目前采用波特率為250Kbps的高速CAN總線。該總線協(xié)議遵循CAN BUS 2.0B技術規(guī)范所規(guī)定的擴展幀格式（29位標識符）以及SAE J1939的技術協(xié)議。SAE J1939協(xié)議主要運用于載貨車和客車系統(tǒng)，它是在CAN BUS 2.0B的基礎上進一步擴展實現(xiàn)具體應用的，J1939的網(wǎng)絡通訊報文標識符結構如圖2所示。

圖2 J1939網(wǎng)絡通訊報文標識符結構Fig.2 J1939network communication message ID structure

J1939對CAN BUS 2.0B規(guī)范中的29位標識符（0～28）做了更為具體的定義。其中優(yōu)先級P用于總線傳輸時的報文優(yōu)先級別；保留位R作為今后開發(fā)使用，此處必須默認為0；數(shù)據(jù)頁DP用于數(shù)據(jù)頁位選擇參數(shù)群描述的輔助頁；PDU格式是一個8位構成的域，用于確定數(shù)據(jù)域對應的參數(shù)群編號；特定PDU是一個8位域，他的定義取決于PDU格式；源地址SA是一個8位的域，網(wǎng)絡中一個特定的源地址只能匹配一個設備或系統(tǒng)。

3 總線測試系統(tǒng)的實現(xiàn)

CANoe是德國VECTOR公司開發(fā)的功能強大的仿真及測試軟件，使用時需要借助其它硬件測試工具配合使用，常使用的硬件包括CANcaseXL，CANScope，CANStress等。

3.1 測試系統(tǒng)的功能

該測試系統(tǒng)具備三大功能：

第一，在線實時監(jiān)測。在實車運行過程中，該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測各個部件的運行參數(shù)情況。并根據(jù)在網(wǎng)絡上傳輸?shù)膱笪闹兴婕暗墓收闲畔⑦M行分析，判斷車輛可能存在的故障信息。

第二，離線分析功能。CANoe采集大量實時的報文信息并存儲于電腦硬盤中，通過回放功能重現(xiàn)采集時的數(shù)據(jù)信息，以便后期分析驗證。

第三，系統(tǒng)模擬仿真。當網(wǎng)絡中的某個或某些節(jié)點掉線或出現(xiàn)異常時，CANoe的仿真功能可以實現(xiàn)在仿真環(huán)境下對正常的節(jié)點進行功能測試。

3.2 測試系統(tǒng)的實現(xiàn)過程

采用CANoe搭建測試系統(tǒng)平臺需要完成幾項工作，包括建立數(shù)據(jù)庫，編寫CAPL語言程序，編輯面板編輯器以及調試運行等。

3.2.1 創(chuàng)建CANdb＋＋數(shù)據(jù)庫

CANdb＋＋是集成在CANoe中的數(shù)據(jù)庫編輯軟件，由它創(chuàng)建的CAN網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫文件又稱為DBC文件。在創(chuàng)建DBC文件時，需要將網(wǎng)絡應用層所定義的參數(shù)按照從高到低的層次依次輸入數(shù)據(jù)庫中，即從創(chuàng)建網(wǎng)絡節(jié)點開始，根據(jù)網(wǎng)絡應用層定義的節(jié)點信息創(chuàng)建各節(jié)點，再在各個節(jié)點下創(chuàng)建屬于該節(jié)點的報文，同時明確該節(jié)點需要接收的報文和信號；最后在每條報文下創(chuàng)建屬于該報文的信號內容、編碼格式和換算公式——根據(jù)換算公式，可將實際的物理值信號換算成適于計算機辨認和發(fā)送的十六進制值信號值，便于網(wǎng)絡間的傳輸。

另外，還需定義與各節(jié)點相關的環(huán)境變量，將其作為該節(jié)點的信號輸入設備或信號輸出設備。信號輸入設備例如傳感器，開關，按鈕等，信號輸出設備例如執(zhí)行器、燈光、顯示屏等。

數(shù)據(jù)庫建完后將其添加到CANoe軟件中，實現(xiàn)CANoe網(wǎng)絡架構的搭建，如圖3所示。

3.2.2 編寫CAPL語言程序

對于控制系統(tǒng)的仿真功能，需要通過CAPL語言編程實現(xiàn)。CAPL全稱為CAN Access Programming Language，它是一種和C語言類似的編程語言，用它可以對每一個虛擬的控制系統(tǒng)進行編程。CAPL語言程序是基于事件觸發(fā)的程序，可由總線事件，鍵盤事件或時間事件實現(xiàn)觸發(fā)功能。

3.2.3 編輯面板編輯器

CANoe軟件集成了人性化的面板編輯器（Panel）窗口，并且預先存入了諸如開關、車窗、儀表盤、點火開關、門鎖和按鈕等大量的圖片組件。利用環(huán)境變量為媒介，將這些圖片與對應的信號一一鏈接，就實現(xiàn)了形象化的圖形界面，部分的Panel窗口如圖4所示。

圖3 CANoe軟件搭建電動汽車CAN總線網(wǎng)絡架構圖Fig.3 The CAN bus network architecture of the electric vehicle build by CANoe

圖4 部分測試系統(tǒng)的Panel窗口界面Fig.4 Part of the test system on Panel window

3.2.4 CAN網(wǎng)絡的仿真和測試

完成上述步驟后，可以實現(xiàn)CANoe的仿真和測試功能。需要強調的是，當進行仿真調試時，需要激活虛擬節(jié)點；而當進行實車測試時，則要屏蔽這些虛擬節(jié)點。

（1）網(wǎng)絡仿真

評價網(wǎng)絡性能的技術指標一般包括網(wǎng)絡傳輸速率、報文平均發(fā)送頻次、網(wǎng)絡負載率，信號延遲時間（網(wǎng)絡響應時間）、報文周期等因素。網(wǎng)絡仿真時需要對這些因素進行逐一的分析，了解其對于網(wǎng)絡性能的影響程度并根據(jù)設計要求進行調整，這對于前期進行網(wǎng)絡設計和開發(fā)時起到了一定的借鑒作用，CAN總線仿真界面如圖5所示。

圖5 CANoe的仿真界面圖Fig.5 The simulation interface figure of CANoe

為改善網(wǎng)絡負載率，需要對報文平均發(fā)送頻次、網(wǎng)絡負載率，信號延遲時間（網(wǎng)絡響應時間）和報文周期等進行合理的調整。一般情況下，經(jīng)過調整后的網(wǎng)絡負載率建議是在30%左右，可有效地防止出現(xiàn)網(wǎng)絡擁堵的情況。

（2）網(wǎng)絡測試

為了保證CAN總線網(wǎng)絡的正確性和魯棒性，需要對其進行網(wǎng)絡性能測試和實車診斷測試，主要包括以下幾個方面：

a.物理層測試

由于信號傳輸波形的質量決定了CAN總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，所以需要對物理層進行測試評價，確保各節(jié)點或系統(tǒng)在電路設計、物理電平特性等方面的性能，也是保證節(jié)點能夠正確連接入總線的基礎。測試主要包括了節(jié)點的電阻電容特性、總線終端電阻、CAN線上的物理電平特性、工作電壓范圍及節(jié)點掉電測試等。

b.數(shù)據(jù)鏈路層測試

數(shù)據(jù)鏈路層測試包括網(wǎng)絡實時性測試、位定時測試、采樣點測試、SJW測試等內容。其中最重要的是網(wǎng)絡實時性測試。由于影響CAN總線網(wǎng)絡實時性的主要因素是總線傳輸速率、總線負載率、消息傳輸延遲等，所以雖然在理論設計時進行了仿真驗證，在測試階段還是需對其進行測試分析。

c.應用層測試

應用層測試包括了上層應用層協(xié)議的測試、網(wǎng)絡管理功能的測試以及故障診斷測試等方面的內容。其包括的內容可以是：數(shù)據(jù)庫使用正確性測試、通訊周期準確性測試、節(jié)點休眠喚醒功能測試、網(wǎng)絡管理功能測試、電壓影響測試、總線物理故障測試、節(jié)點故障自恢復能力測試等內容。由于CAN總線使用背景的不同，其應用層的內容也有很大差別，因此應用層測試的內容也存在較大差異，需要根據(jù)項目的設計需求以及設計文檔仔細制定應用層測試的內容。值得注意的是，對于CAN總線網(wǎng)絡測試，其應用層測試一般不涉及功能測試的范圍，功能測試一般屬于模塊測試的范疇。

在測試過程中還需要注意整車的實驗環(huán)境及車艙內的布置環(huán)境對過程的影響，例如電磁干擾、過熱、噪聲或震動等都可能影響網(wǎng)絡的正常通訊功能及測試的結果，嚴重時還可能造成電子控制模塊的損壞。

在任一階段的測試出現(xiàn)異常情況時，排故流程基本如下：

1.先檢查通訊線路是否出現(xiàn)故障，例如對地短路，對電壓短路或開路故障；

2.再考慮電子控制模塊內部可能出現(xiàn)的短路故障；

3.最后考慮實車環(huán)境的影響，可通過更改線路走向或增加屏蔽措施等改善實車環(huán)境。

d.實車診斷測試

實車診斷測試是對圖4的實時監(jiān)測測試系統(tǒng)的應用，該測試系統(tǒng)通過捕獲整車網(wǎng)絡中傳輸?shù)膱笪牟闹薪馕龀鲂盘杻热?，將其換算成實際的信號值顯示在該系統(tǒng)中，同時該測試系統(tǒng)會對較為重要的信號進行實時監(jiān)測，判斷其是否在正常范圍內，如果參數(shù)出現(xiàn)異常，則在測試系統(tǒng)的“故障信息”一欄中相應警告燈會點亮，提示測試人員可能是由于對應的硬件系統(tǒng)或設備存在故障，需要進行診斷排故。

同時該系統(tǒng)還能實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)采集，便于測試人員進行離線分析。

3.2.5 CAN總線網(wǎng)絡分析

在整車正常通訊的情況下，通過CANoe軟件還可以實時監(jiān)測網(wǎng)絡的性能參數(shù)，包括網(wǎng)絡報文每秒鐘的平均發(fā)送頻次、總線通訊情況和總線負載率等，如圖6，圖7及圖8所示。

圖6 報文每秒鐘的平均發(fā)送頻次Fig.6 The average delivery frequency of message per second

4 結束語

本文通過CANoe軟件完成了電動汽車總線測試系統(tǒng)的程序開發(fā)，實現(xiàn)了對電動汽車CAN總線的節(jié)點仿真功能；通過網(wǎng)絡測試，實現(xiàn)了對整車網(wǎng)絡性能的確認；利用Panel窗口的編輯，實現(xiàn)了良好的人機交互功能；借助CANcaseXL板卡的配合，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時顯示、采集及離線分析功能。

圖7 總線實際通訊情況Fig.7 CAN bus actual communication situation

圖8 總線負載率情況Fig.8 CAN bus loading rate

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