概述整車CAN總線測試

[摘要]筆者為重慶力帆乘車有限公司電氣工程師——王朝均，將在本文中闡述CAN總線開發(fā)設(shè)計(jì)中故障測試、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層等內(nèi)容，為主機(jī)廠設(shè)計(jì)開發(fā)整車CAN通信提供參考依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]整車；CAN總線；測試

近年來汽車電子技術(shù)發(fā)展迅速，CAN總線技術(shù)廣泛運(yùn)用于我國汽車行業(yè)。車輛CAN總線面對電磁環(huán)境相對惡劣，特別是那些具有多功率、大電流、高電壓的車輛，這嚴(yán)重的增加了車輛CAN總線設(shè)計(jì)難度。將來的設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)有效評估車輛通信品質(zhì)進(jìn)而保證車輛的穩(wěn)定性和安全性。

一、測試工具

測試運(yùn)用的工具包括：CANoe+CANcaseXL、CANstressDR和數(shù)字示波器。CANoe是ECU和網(wǎng)絡(luò)分析、測試、開發(fā)的專用工具，支持需求分析到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的整體系統(tǒng)開發(fā)過程。檢測中CANcaseXL和CANoe硬件配套用于觀察ECU發(fā)送接收、估算總線負(fù)載率、記錄總線數(shù)據(jù)功能。

CANstressDR作為獨(dú)立運(yùn)行硬件，能夠與CAN網(wǎng)絡(luò)直接串連，將各種干擾邏輯施加在CAN總線上，進(jìn)而驗(yàn)證CAN和ECU總線抗干擾能力。測試中CANstressDR的作用在于通過模擬施加故障干擾總線。

數(shù)字示波器作用在于觀察記錄總線電平狀態(tài)，并對總線電平進(jìn)行初步解析。數(shù)字示波器的主要參數(shù)為：1億次/秒采樣速率；分辨率+10ns。

二、測試方法

將車輛CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集成測試平臺和測試設(shè)備串連到一起，只針對車輛CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成測試平臺各個(gè)ECU外部接口進(jìn)行測試，不改變ECU。根據(jù)圖1

進(jìn)行測試設(shè)備連接。

三、測試內(nèi)容和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

（一）物理層測試

如圖2進(jìn)行CAN總線物理連接，將負(fù)載電阻R串連在總線梁端，電阻作用在于抑制總線內(nèi)部信號的反射。不應(yīng)當(dāng)在ECU內(nèi)部設(shè)置R，防止內(nèi)部設(shè)置R的ECU同總線連接斷開時(shí)，總線失去終端電阻。

當(dāng)總線所有ECU總線發(fā)送器為關(guān)閉狀態(tài)，也就是ECU內(nèi)三極管都介質(zhì)，總線處于隱性狀態(tài)。在該狀態(tài)所有ECU帶高內(nèi)阻電壓電源生成總線平均電壓。接受操作可參考圖2顯示的電阻網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)ECU接通的總線驅(qū)動電路大于一個(gè)時(shí)，也就是成對三極管里接通的對數(shù)大于一個(gè)，總線就會產(chǎn)生一個(gè)顯性位。這樣終端電阻就會通過電流，這樣總線兩根線間就會產(chǎn)生差動電壓。總線上的差動電壓能夠通過電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成接收電路的比較器輸入處相應(yīng)的顯性或隱性電平，進(jìn)而檢測出隱性和顯性狀態(tài)[1]。

第一，隱性輸出電壓測試，用于判斷總線中斷開的ECU的CAN_L和CAN_H隱性輸出電壓符不符合ISO11898-2定義。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：①2.0≤UCAN-H≤3.0V；②2.0V≤UCAN-L≤3.0V；③-500mV≤Udiff≤500mV。

第二，顯性輸出電壓測試，用作判斷總線上斷開的ECU的CAN_L與CAN_H顯性輸出電壓符不符合ISO0011989-2定義。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：①2.75V≤UCAN-H≤4.6V；②0.5V≤UCAN-L≤2.26V；③1.6V≤Udiff≤3.0V。某乘用車動力CAN開發(fā)項(xiàng)目中，CAN總線顯示的輸出電壓測試結(jié)果如表1，測試波形圖如3、4.

第三，位下降/上升時(shí)間測試，用于判斷ECU發(fā)送CAN總線信號的顯性轉(zhuǎn)隱性和隱性轉(zhuǎn)顯性的時(shí)間，判斷位下降/上升時(shí)間符不符合測試規(guī)范要求。圖5為位下降/上升的時(shí)間。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：①20ns≤trise≤200ns；②20nstfall≤400ns。

第四，位時(shí)間精度測試，用于判斷ECU發(fā)送CAN報(bào)文時(shí)間的精確度符不符合物理層規(guī)范定義。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：位時(shí)間精確度為±0.5%。

第五，信號對稱性測試，用于判斷CAN_L和CAN_H信號對稱性服不服和物理層規(guī)范定義。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括①位時(shí)間的前部，信號電壓應(yīng)當(dāng)處于82%位結(jié)束電壓值至165%位結(jié)束電壓值之間；②位時(shí)間后部，信號電壓處于96%位結(jié)束電壓值至106%位結(jié)束電壓值之間[2]。

（二）數(shù)據(jù)鏈路層測試

根據(jù)CAN2.0B定義，控制器能夠識別的ID數(shù)據(jù)幀包括11位、29位，即標(biāo)準(zhǔn)幀、擴(kuò)展幀。如圖6、7為幀格式。

第一，擴(kuò)展報(bào)文幀和標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文幀兼容性測試，用于判斷ECU能夠兼容11位ID標(biāo)準(zhǔn)幀的CAN報(bào)文、29位ID擴(kuò)展幀的CAN報(bào)文。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：測試中ECU能夠兼容29位ID擴(kuò)展幀和11位ID標(biāo)準(zhǔn)幀，不可發(fā)送任何錯誤幀。

第二，100%總線負(fù)載下報(bào)文接受能力的測試，用于判斷CAN總線負(fù)載率為100%時(shí)，ECU能夠處理接受到的CAN總線信息，并在CAN總線負(fù)載率達(dá)到正常水平后恢復(fù)。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：①在運(yùn)用低優(yōu)先級ID增加總線負(fù)載率的檢測過程中，ECU應(yīng)當(dāng)處理接收到的所有CAN總線信息，同時(shí)連續(xù)發(fā)送總線信息；②在運(yùn)用高優(yōu)先級ID增加總線負(fù)載率至100%時(shí)，ECU可以出現(xiàn)CAN總線報(bào)文的發(fā)送失敗情況，總線負(fù)載率重回正常水平后，ECU恢復(fù)CAN總線報(bào)文發(fā)送；③在全部測試過程中，ECU不應(yīng)發(fā)送任何錯誤幀。

（三）網(wǎng)絡(luò)錯誤處理測試

第一，單個(gè)節(jié)點(diǎn)脫開測試，用于檢測單個(gè)節(jié)點(diǎn)斷開后ECU中CAN總線通信狀態(tài)，并檢測修復(fù)該故障后ECU能夠正常進(jìn)行CAN總線通信。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：①單個(gè)節(jié)點(diǎn)斷開后，該節(jié)點(diǎn)ECU可以不具有CAN總線報(bào)文接收和發(fā)送功能，不可引起該節(jié)點(diǎn)ECU出現(xiàn)任何形式損壞。其余節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)可以繼續(xù)數(shù)據(jù)通信；②恢復(fù)斷開的節(jié)點(diǎn)后，該節(jié)點(diǎn)ECU應(yīng)重新實(shí)現(xiàn)CAN總線報(bào)文的接收和發(fā)送功能。

第二，接地或節(jié)點(diǎn)電源斷開測試，用于檢測某節(jié)點(diǎn)同電源脫開后或同搭鐵脫開后ECU的CAN總線通信狀態(tài)，進(jìn)而檢測該故障修復(fù)后ECU弄否重新實(shí)現(xiàn)CAN總線通信。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：①節(jié)點(diǎn)與電源脫開或者在低電壓狀態(tài)時(shí)，CAN總線網(wǎng)絡(luò)不能被拉低，剩余節(jié)點(diǎn)能夠繼續(xù)數(shù)據(jù)通信，故障節(jié)點(diǎn)ECU可以不具備CAN總線報(bào)文接受和發(fā)送功能；②節(jié)點(diǎn)與搭鐵點(diǎn)脫開，CAN總線網(wǎng)絡(luò)不能被拉高，剩余節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)數(shù)據(jù)通信，故障節(jié)點(diǎn)ECU可以不具有CAN總線報(bào)文接受和發(fā)送的功能；③故障節(jié)點(diǎn)故障恢復(fù)后，該節(jié)點(diǎn)ECU應(yīng)重新實(shí)現(xiàn)CAN總線報(bào)文接受和發(fā)送功能。

第三，CAN_H斷路測試或CAN_L斷路測試，CAN_H斷路測試用于檢測CAN_H斷路時(shí)ECU中CAN總線的通信狀態(tài)，并檢測修復(fù)該故障后ECU中CAN總線的通信狀態(tài)。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：①CAN_H斷路時(shí)，在不同于斷開點(diǎn)一側(cè)節(jié)點(diǎn)間，數(shù)據(jù)通信無法進(jìn)行。在CAN_H斷開點(diǎn)的同側(cè)節(jié)點(diǎn)間，能以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；②修復(fù)CAN_H斷路故障后，節(jié)點(diǎn)ECU能夠重新實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。CAN_L斷路測試用于檢測CAN_L斷路后ECU中CAN總線的通信狀態(tài)，并檢測修復(fù)該故障后ECU的CAN總線通信狀態(tài)。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：①CAN_L斷路后，在不同于CAN_L斷開點(diǎn)的一側(cè)的節(jié)點(diǎn)間，數(shù)據(jù)通信無法實(shí)現(xiàn)。在CAN_L斷開點(diǎn)的同一側(cè)節(jié)點(diǎn)間能夠恢復(fù)數(shù)據(jù)通信；②修復(fù)CAN_L斷路故障后，各節(jié)點(diǎn)ECU能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

第四，CAN_L和CAN_H同時(shí)斷路檢測，用于測試CAN_L和CAN_H同時(shí)斷路時(shí)ECU中CAN總線通信情況，并檢測修復(fù)該故障后各ECU種CAN總線的通信狀態(tài)。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：①CAN_L和CAN_H于同一位置斷開，在不同于斷開點(diǎn)的一側(cè)節(jié)點(diǎn)間，數(shù)據(jù)通信無法實(shí)現(xiàn)。在和斷開點(diǎn)同側(cè)的節(jié)點(diǎn)間，能夠恢復(fù)數(shù)據(jù)通信；②修復(fù)CAN_L和CAN_H同時(shí)故障后，ECU能夠重新進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

第五，CAN_H與電源短路測試或CAN_L與電源短路測試。CAN_H評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：①電源電壓不小于總線正常電壓，ECU可以不具有CAN總線報(bào)文的接收和發(fā)送功能。②修復(fù)CAN_H與電源斷路故障后，各節(jié)點(diǎn)可以恢復(fù)CAN總線報(bào)文的接收和發(fā)送功能。CAN_L評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：①短路后，ECU可不具有總線報(bào)文接收和發(fā)送功能，不可以任何形式損壞ECU.②修復(fù)故障后，各節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)總線報(bào)文的接收和發(fā)送功能。

第六CAN_L與搭鐵短路測試和CAN_H與搭鐵短路測試。CAN_L評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：短路后，總線電壓沒有超過正常范圍，總線可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。CAN_H評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：①短路后，不要求ECU具有總線報(bào)文接收和發(fā)送的功能，不可損壞ECU.②修復(fù)故障后，各節(jié)點(diǎn)能夠重新實(shí)現(xiàn)總線報(bào)文接收和發(fā)送的功能。

第七，CAN_H對CAN_L短路測試。①短路后，ECU不需要具有總線報(bào)文接收和發(fā)送功能，不能損壞ECU.②修復(fù)故障后，各節(jié)點(diǎn)能夠再次進(jìn)行總線報(bào)文的接收和發(fā)送功能。

結(jié)語

本文詳盡的分析了CAN總線開發(fā)設(shè)計(jì)中故障測試、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層等內(nèi)容，希望本文測試結(jié)果能夠?yàn)橹鳈C(jī)廠設(shè)計(jì)開發(fā)整車CAN通信提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]王歡，杜全輝，尹華軍.純電動轎車CAN總線系統(tǒng)開發(fā)[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2011，（05）：147-152.

[2]田園，朱茂桃，蓋福祥.CAN總線故障注入的仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014，（05）：202-204+207.