不同物理媒介對車載CAN總線通信特性影響的試驗研究

李建文王翠東徐正飛王躍鄭義

（1.中國人民解放軍軍事交通學(xué)院；2.天津理工大學(xué)）

不同物理媒介對車載CAN總線通信特性影響的試驗研究

李建文1,2王翠東1徐正飛1王躍1鄭義2

（1.中國人民解放軍軍事交通學(xué)院；2.天津理工大學(xué)）

針對現(xiàn)有車載網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)對CAN總線應(yīng)用環(huán)境規(guī)定不明確的問題，構(gòu)建了CAN通信網(wǎng)絡(luò)試驗平臺，利用USB?CANⅡ雙通道CAN分析儀對通訊數(shù)據(jù)進行采集，并應(yīng)用CANKING和X-Analyser兩款CAN分析軟件對3種物理媒介對CAN網(wǎng)絡(luò)通信特性的影響進行了分析研究。結(jié)果表明，在相同工作環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)條件下，不同物理媒介對CAN通訊特性的影響存在差別，當(dāng)CAN仿真節(jié)點發(fā)送時間間隔≤5 ms時，屏蔽雙絞線通訊性能最好；時間間隔≥5 ms時，3種物理媒介的通訊性能相同。

1 前言

隨著車載CAN總線技術(shù)得到愈來愈廣泛地應(yīng)用，與之相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也在日趨完善當(dāng)中。在CAN總線的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，對CAN網(wǎng)絡(luò)的物理層做了明確的規(guī)定，其中專門有兩部分對CAN網(wǎng)絡(luò)物理層媒介即CAN通訊線做了統(tǒng)一的規(guī)范，將其分為屏蔽的雙絞線和非屏蔽的雙絞線兩類[1，2]。但是，對于這兩種雙絞線分別用在什么樣的環(huán)境中卻沒有明確的規(guī)定。因此，為研究不同的CAN網(wǎng)絡(luò)物理層媒介對車載CAN總線通信特性的影響，通過搭建的車載網(wǎng)絡(luò)試驗平臺，在相同條件下進行了不同物理媒介對CAN網(wǎng)絡(luò)通信的影響試驗，通過對比試驗結(jié)果得出了最適合該工作環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)條件下的物理媒介。

2 車載網(wǎng)絡(luò)試驗平臺的構(gòu)建

車載網(wǎng)絡(luò)試驗平臺采用CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，系統(tǒng)控制單元采用3個CAN通訊節(jié)點和13個LIN功能節(jié)點組成車身控制系統(tǒng)，如圖1所示。3個CAN節(jié)點分別分布于轉(zhuǎn)向柱的左、右兩側(cè)和車尾，通過CAN總線完成信息的交互。CAN節(jié)點同時作為CAN/LIN網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)CAN節(jié)點和LIN節(jié)點之間信息的轉(zhuǎn)換。由于在中央轉(zhuǎn)向柱位置所要采集的開關(guān)信號較多，所以在中央轉(zhuǎn)向柱位置使用2個CAN模塊。LIN節(jié)點按照執(zhí)行器件（車燈、車門等）的位置進行分布，節(jié)點之間通過LIN總線實現(xiàn)信息的傳輸。

轉(zhuǎn)向柱CAN模塊與車尾CAN模塊是整個車身控制系統(tǒng)的中樞，首先CAN模塊進行開關(guān)量的采集，然后將其打包成報文幀，通過CAN總線進行信息的相互共享。CAN模塊接收到的報文幀通過處理轉(zhuǎn)化為LIN總線可以識別的控制報文幀，然后傳遞給其它LIN節(jié)點，LIN節(jié)點根據(jù)控制報文所含的信息作相應(yīng)處理（包括邏輯關(guān)系處理）并檢測執(zhí)行的器件，將器件狀態(tài)信息打包成狀態(tài)報文幀反饋給主LIN節(jié)點，以作為故障檢測的依據(jù)。CAN總線通訊采用廣播模式，即子節(jié)點的報文只有主節(jié)點接收（點對點模式），主節(jié)點的報文所有子節(jié)點均接收。LIN總線通訊采用的是主到從、從到主的通信方式，只能單向接受信息[3]。

3 試驗方案與工具

3.1 試驗方案

該試驗的目的是對比和研究采用不同物理媒介的CAN通訊導(dǎo)線對車載網(wǎng)絡(luò)通信性能的影響,試驗主要分以下3部分：

a.首先對CAN總線上傳輸信號的波形進行測試，對傳輸?shù)腃AN信號物理特性作定量、定性的測試與分析；

b.將采用不同物理媒介的CAN通訊導(dǎo)線分別接入車身網(wǎng)絡(luò)試驗平臺，然后改變網(wǎng)絡(luò)中CAN節(jié)點的數(shù)據(jù)幀發(fā)送時間間隔，比較分析不同數(shù)據(jù)幀發(fā)送時間間隔對網(wǎng)絡(luò)負載的影響；

c.再次將采用不同物理媒介的CAN通訊導(dǎo)線分別接入車身網(wǎng)絡(luò)試驗平臺，然后改變節(jié)點發(fā)送CAN數(shù)據(jù)幀的波特率，比較分析不同波特率對網(wǎng)絡(luò)負載的影響。

3.2 CAN網(wǎng)絡(luò)物理層物理媒介說明

經(jīng)查閱相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[4，5]，屏蔽雙絞線與非屏蔽雙絞線的物理媒介主要參數(shù)如表1所列，各參數(shù)的主要區(qū)別在于測試條件的差異。另外，屏蔽雙絞線與非屏蔽雙絞線的主要區(qū)別在于外形參數(shù)不同，非本試驗研究重點，表1中沒有一一列出。

表1 屏蔽雙絞線與非屏蔽雙絞線的物理媒介參數(shù)

因屏蔽雙絞線與非屏蔽雙絞線在某些性能上較接近，為了更好的比較報文發(fā)送時間間隔和波特率對網(wǎng)絡(luò)負載率的影響，試驗中引入一個通信性能相對較差的比較對象，即試驗中除使用標(biāo)準(zhǔn)中的2種屏蔽線，還使用了2根車用低壓線作為CAN線。所用低壓線已滿足汽車對于車用線的標(biāo)準(zhǔn)，可作為車用的信號傳輸線使用，2根車用低壓線按照每米20匝的方式進行繞制。

3.3 試驗儀器

試驗中采用的硬件工具為Kvaser USBcan II CAN總線分析儀，軟件工具包括Kvaser CanKing和X-Analyser。

Kvaser USBcan II是基于USB的雙通道CAN總線分析儀，其中一個通道用于高速CAN，另一個通道可用于高速CAN、低速CAN或單線CAN。該工具支持11-bit（CAN 2.0A）和29-bi（tCAN 2.0B active）標(biāo)示符，試驗中使用總線分析儀的“silent”模式采集總線的通訊數(shù)據(jù)[6]。

Kvaser CanKing是Kvaser公司開發(fā)的CAN總線數(shù)據(jù)接收發(fā)軟件，其完全支持Kvaser公司的各類CAN測試議，包括單通道及雙通道。它可以通過CAN卡向網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點發(fā)送CAN消息，并通過總線負載率和報文速率分析不同屬性的CAN信息對目標(biāo)模塊產(chǎn)生的影響。X-Analyser是由Warwick公司開發(fā)的主要用于對CAN/LIN接口硬件的測試、診斷和獲取測試數(shù)據(jù)的軟件工具。X-Analyser能夠用多種方式顯示測試的網(wǎng)絡(luò)狀況，也能夠模擬CAN/LIN設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)。試驗中綜合應(yīng)用這2款軟件對CAN網(wǎng)絡(luò)通信特性進行分析。

4 CAN總線傳輸信號波形的測試分析

在車身網(wǎng)絡(luò)試驗平臺上，應(yīng)用不同的物理媒介對車身網(wǎng)絡(luò)試驗平臺CAN總線上傳輸信號的波形進行測試，對CAN信號物理特性作定量、定性的分析，以判別不同的物理媒介對CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信性能的影響。

測試時，首先給汽車車身網(wǎng)絡(luò)試驗平臺上電，并調(diào)試到正常工作狀態(tài)，操作平臺上的CAN節(jié)點向車載網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送報文；然后將試驗系統(tǒng)中的CAN通信導(dǎo)線上CAN_H與CAN_L分別與固緯GDS-820C數(shù)字式存貯示波器的探頭相連，將示波器調(diào)至最佳狀態(tài)，此時即可在示波器上觀察到CAN_H和CAN_L上傳輸?shù)腃AN幀信號波形。測試結(jié)果如圖2和表2所示。

表2 不同物理媒介CAN_H和CAN_L傳輸波形測試結(jié)果

在CAN的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定CAN_H電平的最大值為16.0 V，最小值為-3.0 V；CAN_L電平的最大值為16.0 V，最小值為-3.0 V。與CAN標(biāo)準(zhǔn)中電平標(biāo)稱值相比，該試驗中采集的電平值與CAN標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定值基本吻合，其中自行絞制的物理媒介雜波較多。

繼續(xù)利用示波器對CAN_H信號與CAN_L信號的差分波形進行測試，3種不同物理媒介信號的測試結(jié)果如圖3所示。

車載CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中采用具有容錯功能的CAN收發(fā)器，可提供差動的發(fā)送與接收模式，在正常狀態(tài)下CAN收發(fā)器運行狀態(tài)由差動電壓Vdiff決定，Vdiff計算式為：

差動模式可有效減弱干擾信號的影響，提高整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行可靠性。CAN的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定Vdiff顯性時的最小值為1.5 V，最大值為3.0 V，額定值為2.0 V。由圖3可見，試驗中采用的3種物理媒介的Vdiff均符合標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。

通過對圖3中CAN總線上傳輸信號的波形進行測試與分析，得出如下結(jié)果：

a.3種物理媒介在車身網(wǎng)絡(luò)CAN總線上傳輸信號的電平與CAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的信號電平標(biāo)稱值相符合，其數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbps；

b.在CAN總線的正常工作狀態(tài)下，CAN_H與CAN_L上的傳輸信號是對稱互補的，信號以差動的方式傳輸，總線以差動的模式工作；

c.測試得到的應(yīng)用不同物理媒介的車身網(wǎng)絡(luò)CAN總線在正常狀況下3種傳輸信號波形圖與CAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的傳輸信號波形相符合，說明這3種物理媒介都可作為CAN總線來使用。

5 CAN總線網(wǎng)絡(luò)負載率的測試分析

通過車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試分析平臺，可在線對車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的CAN總線網(wǎng)絡(luò)進行測試。將USBCANⅡ分析儀的一個通道與車身測試網(wǎng)絡(luò)的CAN總線連接(CAN_H與CAN_H相連，CAN_L與CAN_L相連)后，在上位機上運行CANKING與X-Analyser軟件對CAN總線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)負載、報文速率、誤碼率進行測試分析。CAN-Analyser可以進行幾幀不同數(shù)據(jù)的順序發(fā)送，而CANKING只能發(fā)送單個報文，而且CAN-Analyser的讀數(shù)精度高于CANKING。

為測試不同物理媒介對同一車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的影響，將車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測控分析平臺中的CAN總線與CAN接口卡連接形成環(huán)路，利用CAN接口卡仿真一個車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的CAN總線控制單元節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，CUSB?CANⅡ分析儀接收CAN數(shù)據(jù)并記錄分析仿真結(jié)果。由此可以對比分析采用不同物理媒介時，CAN總線控制單元節(jié)點的平均發(fā)送CAN數(shù)據(jù)幀時間間隔和總線波特率對網(wǎng)絡(luò)負載的影響。

5.1 節(jié)點平均發(fā)送CAN數(shù)據(jù)幀時間間隔對網(wǎng)絡(luò)負載的影響

利用CAN接口卡仿真車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制單元節(jié)點循環(huán)發(fā)送一個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀，幀ID為01h，數(shù)據(jù)長度為5，數(shù)據(jù)內(nèi)容為01 02 03 04 05，發(fā)送波特率為80 kbps，分別設(shè)定每幀平均發(fā)送時間間隔為l～20 ms，仿真時利用X-Analyser軟件記錄數(shù)據(jù)。采用3種不同物理媒介時的測試結(jié)果如表3所列，時間間隔對負載率的影響曲線如圖4所示。

表3 不同物理媒介、不同發(fā)送時間間隔時的負載率

由圖4可知，節(jié)點發(fā)送CAN數(shù)據(jù)幀時間間隔（延時）為0時網(wǎng)絡(luò)負載率為100%，報文信息占用整個帶寬；隨著節(jié)點發(fā)送CAN數(shù)據(jù)幀時間間隔的延長，網(wǎng)絡(luò)負載也隨之減小，占用系統(tǒng)的帶寬減小，系統(tǒng)可靠性增加[6]。

由圖4可看出，當(dāng)時間間隔≤5 ms時，不同物理媒介下的負載率有所差別，但差別較小，其中屏蔽雙絞線的負載率最??；當(dāng)時間間隔≥5 ms時，三者的負載率重合，即負載率相同。

5.2 節(jié)點發(fā)送CAN數(shù)據(jù)幀的波特率對網(wǎng)絡(luò)負載的影響

CAN通信協(xié)議中規(guī)定，為獲得相應(yīng)的波特率，試驗前需要計算CAN總線延遲和收發(fā)器的環(huán)路延遲，并對系統(tǒng)時鐘SYSCLK、CAN控制器時鐘fsys、CAN時鐘周期tsys、CAN時間量子tp等4個CAN控制器的時序參數(shù)進行設(shè)置[7]。

仿真開始時，利用CAN接口卡模擬車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制單元節(jié)點循環(huán)發(fā)送1個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀，幀ID為01h，數(shù)據(jù)長度為5，數(shù)據(jù)內(nèi)容為01 02 03 04 05，設(shè)定每幀平均發(fā)送時間間隔為10 ms，發(fā)送波特率為5～1 000 kbps。利用CanKing軟件記錄數(shù)據(jù)，不同波特率所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)負載率如表4所列，波特率對負載率的影響曲線如圖5所示，為便于分析，圖5中只錄入了5～80 kbps區(qū)間的數(shù)值。

表4 不同波特率所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)負載率 %

由表4可知，網(wǎng)絡(luò)負載隨網(wǎng)絡(luò)波特率的增大而迅速減小，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)波特率≥100 kbps時，網(wǎng)絡(luò)負載率隨網(wǎng)絡(luò)波特率的增大而減小趨于平緩，逐漸接近于0，網(wǎng)絡(luò)性能提高。

由圖5可看出，當(dāng)波特率≤50 kbps時，不同物理媒介下的負載率有所差別，但差別不明顯，其中屏蔽雙絞線的負載率最小；當(dāng)波特率≥50 kbps時，三者的負載率重合，即此時采用3種物理媒介的總線網(wǎng)絡(luò)性能趨于相同。

6 結(jié)束語

在構(gòu)建的CAN網(wǎng)絡(luò)試驗平臺上進行了不同物理媒介對CAN網(wǎng)絡(luò)通信特性影響的試驗研究，并針對節(jié)點報文發(fā)送時間間隔和波特率對負載率的影響進行了比較和分析，得出如下結(jié)論：

a.在車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計過程中，設(shè)置合適的節(jié)點發(fā)送CAN數(shù)據(jù)幀時間間隔（延時），既可滿足系統(tǒng)測控實時性要求，又能使系統(tǒng)具備足夠的后備能力。當(dāng)CAN仿真節(jié)點發(fā)送時間間隔≤5 ms時，屏蔽雙絞線通訊性能最好；CAN仿真節(jié)點發(fā)送時間間隔≥5 ms時，3種物理媒介的通訊性能相同。

b.在車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計過程中，選擇合理的網(wǎng)絡(luò)波特率，既可保證系統(tǒng)性能及充分利用信道，又能節(jié)約成本。當(dāng)CAN仿真節(jié)點發(fā)送波特率≤50 kb/s時，屏蔽雙絞線通訊性能最好；當(dāng)CAN仿真節(jié)點發(fā)送波特率≥50 kb/s時，3種物理媒介的通訊性能相同。

1 曾光.基于LIN總線的汽車雨刮檢測平臺的設(shè)計與實現(xiàn): [學(xué)位論文].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

2 張新福.CAN總線可靠性研究及其在燈光控制系統(tǒng)中的應(yīng)用:[學(xué)位論文].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

3 于成毅.CAN總線數(shù)據(jù)記錄儀的研究與設(shè)計:[學(xué)位論文].太原：中北大學(xué)，2011.

4 SAE J 1939-11.Physical Layer—250K Bits/s,Shielded Twisted Pair.USA：Society of Automotive Engineers，1999.

5 SAE J 1939-15.Reduced Physical Layer,250K Bits/s,Un-Shielded Twisted Pair(UTP).USA：Society of Automotive Engineers，2003.

6 曲鳳麗，李峰，吳維敏，等.基于網(wǎng)段劃分的CAN總線拓撲優(yōu)化方法.組合機床與自動化加工技術(shù)，2008（9）:1～5.

7 王躍.CANLIN總線技術(shù)在軍用車輛車身電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用研究：[學(xué)位論文].天津：中國人民解放軍軍事交通學(xué)院，2013.

（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年6月22日。

Experimental Study on Impact of Different Physical Media on CAN Bus Network Communication Performance

Li Jianwen1,2,Wang Cuidong1,Xu Zhengfei1,Wang Yue1,Zheng Yi2
（1.PLA Military Transportation University;2.Tianjin University of Technology）

Since existing standards for vehicle network on CAN communication line application of environmental regulations is not clear now,we construct a CAN communication network test platform,in which we make use of USB CAN II dual-channel analyzer to acquire communication data,and use CAN analysis software CANKING and X-Analyser to analyze and study the impact of three physical media on CAN network communication performance.The results show that under the same operating environment and network conditions,the influence of different physical media on CAN communication performance differ,when the transmitting time interval of CAN simulation node is≤5 ms,the shielded twisted pair cable offers the best communication performance;whereas the three physical media offer the same communication performance if time interval is≥5 ms.

Vehicle CAN bus，Communication performance，Physical media

車載CAN總線 通信特性 物理媒介

U467.4+99

A

1000-3703（2015）08-0037-06