車載CAN總線在環(huán)測試技術(shù)研究

李 彤， 屈金標， 岳 杰， 李 闖

(裝甲兵工程學(xué)院 信息工程系，北京 100072)

0 引言

當(dāng)前，在綜合電子系統(tǒng)中大量采用了 CAN[1-3]總線網(wǎng)絡(luò)，這對車載CAN總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性提出了很高的要求。然而針對CAN總線網(wǎng)絡(luò)的測試還僅僅處于數(shù)據(jù)鏈路層測試階段，對CAN總線網(wǎng)絡(luò)沒有進行在環(huán)實時監(jiān)測。

目前對單臺設(shè)備的測試是對網(wǎng)絡(luò)中的單一節(jié)點設(shè)備進行測試，主要測試參數(shù)有總線傳輸波形、總線電壓等。然而功能良好的單個CAN總線節(jié)點設(shè)備接入到CAN總線網(wǎng)絡(luò)中不能保證該網(wǎng)絡(luò)具有應(yīng)用的通信質(zhì)量，甚至不能保證該網(wǎng)絡(luò)能夠正常通信，這是因為CAN總線網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量不僅與總線節(jié)點設(shè)備完好有關(guān)，還與總線終端匹配電阻的阻值和終端匹配電阻的放置的位置有關(guān)。當(dāng)在一個CAN總線網(wǎng)絡(luò)中新加入了一個節(jié)點設(shè)備后，其放置的位置會對整個網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)產(chǎn)生影響，若放置位置在終端匹配電阻后面還可能使整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，而目前的測試手段由于僅僅是數(shù)據(jù)鏈路層的測試，沒有對總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)波形盡量測量，無法及時發(fā)現(xiàn)這種問題。

總的來說，目前基于數(shù)據(jù)鏈路層的CAN總線網(wǎng)絡(luò)測試方法存在以下4點不足：①單臺設(shè)備測試難以保證接入系統(tǒng)后的性能； ②目前的總線測試手段沒有測量線路上傳輸?shù)男盘柌ㄐ?；③通過總線協(xié)議芯片獲得的總線數(shù)據(jù)幀不全面，會漏掉被芯片過濾掉的錯誤幀和異常幀；④CAN總線傳輸網(wǎng)絡(luò)的“偶發(fā)”故障還沒有監(jiān)測手段。

針對上述缺點，本文參照在汽車開發(fā)中采用的在環(huán)仿真技術(shù)，提出了車載CAN總線在環(huán)測試技術(shù)。

1 車載CAN總線在環(huán)測試技術(shù)

目前，通過數(shù)據(jù)鏈路層測試CAN總線網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性技術(shù)已經(jīng)比較成熟，其核心是對幀格式的解析。但是在解析過程中，CAN接口芯片的錯誤管理器會自動過濾掉總線上的錯誤幀和異常幀。所以，基于數(shù)據(jù)鏈路層的車載CAN總線測試技術(shù)不能全面的判斷網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性和節(jié)點故障情況。

因此，本文設(shè)計了基于物理層的車載CAN總線在環(huán)測試技術(shù)。

基于物理層的在環(huán)測試技術(shù)采用替代的方法不僅能夠完成總線網(wǎng)絡(luò)的性能測試，也能夠定位出現(xiàn)故障的節(jié)點和信號不強的節(jié)點，其核心思想是“在環(huán)”和“替代”。 其測試內(nèi)容分為2個方面。

（1）總線網(wǎng)絡(luò)的性能測試

當(dāng)車內(nèi)正常通信時，首先保持總線節(jié)點設(shè)備的位置不動，另外終端電阻的大小以及位置也不能改變，其次將CAN總線測試系統(tǒng)和示波器接入總線，進而測試總線網(wǎng)絡(luò)的性能指標，如總線電壓。

（2）故障定位

當(dāng)總線節(jié)點設(shè)備發(fā)生故障時，非在環(huán)測試是不能檢測出故障節(jié)點的位置，而在環(huán)測試是可以實現(xiàn)故障定位。

方法是將總線中的一個原有節(jié)點之外的其他節(jié)點全部替換成測試節(jié)點仿真設(shè)備，再通過終端向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，若總線通信正常，則說明替換下來的該原有節(jié)點不是故障節(jié)點模塊；否則，則說明替換下來的原有節(jié)點是故障節(jié)點，測試模型如圖1所示，把其中的原有節(jié)點除待測節(jié)點外的其他節(jié)點全部換成測試節(jié)點仿真設(shè)備。

2 CAN總線在環(huán)測試仿真節(jié)電設(shè)備

為實現(xiàn)車載CAN總線的在環(huán)測試，需要的硬件設(shè)備除了基于物理層的總線測試系統(tǒng)，還有CAN總線的測試節(jié)點仿真設(shè)備。測試節(jié)點仿真設(shè)備的作用是替代車載CAN總線網(wǎng)絡(luò)的原有節(jié)點，用來測試總線網(wǎng)絡(luò)的性能指標和定位出總線網(wǎng)絡(luò)的故障節(jié)點。下面介紹本文設(shè)計的基于 MCS-51的測試節(jié)點仿真設(shè)備。

該節(jié)點仿真設(shè)備的功能主要有2個：①將從CAN總線上接收的數(shù)據(jù)發(fā)回到總線上；②將CAN總線的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成USB格式的數(shù)據(jù)，通過USB接口上傳到PC機。

2為本節(jié)點模塊的功能圖，之后詳細介紹這 3個模塊的硬件設(shè)計。

2.1 核心電路部分

如圖3所示，本模塊采用STC89C58作為主控芯片，采用SJA1000[4-7]作為CAN控制芯片，選用24C02型號的E2PROM作為存儲設(shè)備。

SJA1000是一種獨立的 CAN控制器，它通過并口與單片機通信，主要用于移動目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。SJA1000是本模塊的 CAN控制芯片，與STC89C58一起組成了本模塊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換核心部分。

E2PROM和單片機通過I2C總線通信，即24C02的5、6引腳分別連接到單片機的3、5引腳，用來存儲配置到SJA1000中的CAN參數(shù)，單片機斷電后，這些參數(shù)不會丟失，繼續(xù)保存在E2PROM中，以后上電，單片機直接從E2PROM中讀取SJA1000控制器的控制參數(shù)。

注意：圖3中“K”表示千歐，這在圖4、圖5中表示相同意思，之后不再贅述。

2.2 CAN總線數(shù)據(jù)隔離收發(fā)電路

CAN總線數(shù)據(jù)隔離收發(fā)電路是由 CAN收發(fā)器TJA1050、高速光電隔離器 6N137和隔離電源模塊B0505S組成。其中，TJA1050從總線上接收CAN差分信號，并將之轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流格式送到CAN控制器SJA1000中，SJA1000將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并口數(shù)據(jù)送入單片機89C58中處理。當(dāng)CPU需要向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，TJA1050將數(shù)據(jù)流傳換成 CAN差分信號的格式發(fā)送到 CAN總線上。6N137作為高速光電隔離器，實現(xiàn)CAN總線收發(fā)與總線的完全電氣隔離。具體設(shè)計電路如圖4所示。

2.3 與上位機通訊模塊

在設(shè)計的在環(huán)測試系統(tǒng)中，節(jié)點仿真設(shè)備接收到CAN總線上的數(shù)據(jù)要做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。為測試方便，節(jié)點仿真模塊對于CAN總線上接收的數(shù)據(jù)有兩種處理方法：①將接收的總線數(shù)據(jù)重新發(fā)回到 CAN總線上，可以用來測試總線傳輸延遲；②將接收到的CAN總線數(shù)據(jù)通過USB口發(fā)送給上位機[8]，通過上位機軟件將接收到的數(shù)據(jù)以CAN總線幀的形式顯示出來。 USB接口是下位機與上位機通訊的窗口，一個合理的USB通訊電路才能完成與下位機流暢的通信。設(shè)計如圖5。

CH372內(nèi)置了 USB通信中的底層協(xié)議，具有內(nèi)置固件模式和外置固件模式。在內(nèi)置固件模式下，CH372自動處理默認端點 0的所有事務(wù)，完成標準的USB枚舉配置過程，而本地單片機只負責(zé)數(shù)據(jù)交換。在外置固件模式下，由外部單片機或DSP根據(jù)需要自行處理各種USB請求，從而實現(xiàn)符合各種USB類規(guī)范的設(shè)備。這里，節(jié)點模塊選用內(nèi)置固件模式進行通信。

3 實驗驗證結(jié)果

根據(jù)國際標準ISO11898，CAN總線具有兩種邏輯電平，顯性和隱性。在總線共模的條件下，CAN_H波形的顯性電壓典型值和隱性電壓典型值分別為3.5 V和2.5 V，CAN_L波形的顯性電壓典型值和隱性電壓典型值分別為1.5 V和2.5 V，如圖6所示（上面一條線表示CAN_H,下面一條線表示CAN_L）。

測試模型如圖 1，將示波器和總線測試系統(tǒng)接入CAN總線網(wǎng)絡(luò)（此時，總線上沒有接入測試節(jié)點仿真設(shè)備），測得波形如圖7。由圖可以看出，總線上傳輸?shù)腃AN_H和CAN_L信號各有2種（上面2條為CAN_H,下面2條為CAN_L),其中，CAN_H1信號的顯性平均電壓是4 V，CAN_H2信號的顯性平均電壓是3.5 V，CAN_L3信號的顯性平均電壓是1.45 V，CAN_L4信號的顯性平均電壓是1.2 V。此時，總線上傳輸?shù)腃AN_H1信號和CAN_L4信號的顯性平均電壓與典型值不符，是異常信號，因此CAN總線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了故障。

為了確定是總線中的一段線路出現(xiàn)故障還是終端匹配電阻沒有完全匹配，亦或是總線節(jié)點中出現(xiàn)了故障節(jié)點，把總線上所有節(jié)點全部換成測試節(jié)點仿真模塊，測得波形如圖 8。由圖所示，總線波形與圖6基本一致，這說明總線網(wǎng)絡(luò)性能良好，終端匹配電阻也基本符合理論要求。

為了定位故障節(jié)點設(shè)備，把原有節(jié)點1替換回原來的位置，測得波形如圖 9。由圖所示，總線波形與圖6基本一致，這說明原有節(jié)點1不是故障節(jié)點。進而把原有節(jié)點2換回原來的位置，原有節(jié)點1換成測試節(jié)點仿真模塊，測得波形如圖10。由圖所示，總線波形與圖7基本一致，這說明原有節(jié)點2為故障節(jié)點。

4 結(jié)語

本文簡單介紹了基于物理層的車載CAN總線在環(huán)測試技術(shù)，并利用“替代法”和測試節(jié)點仿真模塊快速地定位出故障節(jié)點設(shè)備，驗證了該方法的可行性，解決了車載電子系統(tǒng)故障節(jié)點定位難的課題，為今后的車輛維修保障提供了方法和技術(shù)支持。

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