基于Saber仿真軟件的汽車總線物理層研究

王娟

摘要：本文闡述通過Saber仿真軟件對汽車總線物理層進(jìn)行仿真分析，目的保證數(shù)據(jù)幀在總線上傳輸安全性和完整性，確保數(shù)據(jù)幀在物理層傳輸時(shí)不發(fā)生畸變或者失真，本文重點(diǎn)介紹了仿真軟件Saber采用分析方法（蒙特卡洛和怕累托）和建模思路，以及在實(shí)際項(xiàng)目中開發(fā)應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：蒙特卡洛；怕累托；應(yīng)力分析；靈敏度

一、緒論

（一）汽車總線

現(xiàn)在幾乎所有車型都采用CAN總線技術(shù)，從幾萬元的A級車到幾十萬元的E級車上廣泛使用CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通常情況下整車CAN網(wǎng)絡(luò)分為動(dòng)力CAN、車身CAN、娛樂信息CAN和診斷CAN，如圖1所示。動(dòng)力CAN通常包括發(fā)動(dòng)機(jī)電噴ECU、電子轉(zhuǎn)向控制EPS、自動(dòng)變速器TCU以及電動(dòng)車相關(guān)控制器，車身CAN通常包括一鍵啟動(dòng)ECU、自動(dòng)空調(diào)ECU、T-BOX、組合儀表、胎壓監(jiān)測ECU和車身控制器等，娛樂信息CAN通常由音響系統(tǒng)、360環(huán)視ECU，LDW等組成，診斷CAN由診斷接口和外部診斷儀組成。

（二）CAN總線技術(shù)要求

近幾年來，汽車總線應(yīng)用十分廣泛，幾乎所有的車型均采用總線技術(shù)，ISO標(biāo)準(zhǔn)化組織相應(yīng)制定汽車總線通訊標(biāo)準(zhǔn)，如物理層及數(shù)據(jù)鏈路層IS011898-1，高速率總線物理層及數(shù)據(jù)鏈路層IS011898-2等。這些IS011898標(biāo)準(zhǔn)業(yè)已成為國內(nèi)外主機(jī)廠物理層及數(shù)據(jù)鏈路層通訊規(guī)范，采用Saber軟件進(jìn)行總線物理層仿真，主要就是在虛擬環(huán)境中觀察數(shù)據(jù)幀在總線拓?fù)鋫鬏斨惺欠駶M足IS011898標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)分析出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼霸骷阅軐?shù)據(jù)幀傳輸影響大小，避免在SOP裝車后出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀失真或者畸變發(fā)生。

（三）基于Saber軟件仿真的意義

我們用專業(yè)仿真軟件Saber對汽車各個(gè)控制器通訊模塊進(jìn)行建模，同時(shí)模擬出控制器在整車上的位置，即在不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲兴幱诘奈恢?，模擬各種應(yīng)用場景下數(shù)據(jù)幀在各個(gè)控制器傳輸，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)與監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)信號傳輸狀態(tài)，自動(dòng)判斷其是否滿足通訊標(biāo)準(zhǔn)，由于Saber仿真軟件模型是建立在各個(gè)元器件庫性能參數(shù)基礎(chǔ)上，相似度達(dá)到90%以上，采用了帕累托和蒙特卡洛分析方法對畸變或失真的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分析，得出產(chǎn)生畸變或失真現(xiàn)象的主要因素，并計(jì)算出其相關(guān)度。根據(jù)計(jì)算出的數(shù)據(jù)，優(yōu)化控制器通訊參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，進(jìn)行應(yīng)力分析和失效模式分析，不斷修正控制器通訊參數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

由此可見，運(yùn)用Saber仿真軟件可以在實(shí)際裝車前對數(shù)據(jù)幀傳輸可靠性進(jìn)行模擬仿真驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼翱刂破鞅旧碣|(zhì)量引起信號失真，這對于整車網(wǎng)絡(luò)平臺開發(fā)有著重要意義，幾乎避免80%由于數(shù)據(jù)幀傳輸引起的故障，為主機(jī)廠選用元器件提供了理論依據(jù)，極大節(jié)約開發(fā)時(shí)間及開發(fā)成本，特別在汽車網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜情況下，使數(shù)據(jù)幀傳輸可靠性與安全性得到極大的保證。

二、Saber軟件建模流程

（一）Saber軟件介紹

Saber仿真軟件是美國svnopsys公司的一款EDA軟件，被譽(yù)為全球最先進(jìn)的系統(tǒng)仿真軟件，是唯一的多技術(shù)、多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品，為復(fù)雜的混合信號設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的混合信號仿真器，兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真，可以解決從系統(tǒng)開發(fā)到詳細(xì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證等一系列問題。

（二）建模流程

Saber軟件建模流程如下圖l：

（三）靈敏度分析

對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行微小的改變，然后計(jì)算出其對性能指標(biāo)的影響，靈敏度計(jì)算公式如圖2

（四）蒙特卡洛統(tǒng)計(jì)分析

蒙特卡洛分析在指定的器件精度范圍內(nèi)（比如終端匹配電阻值120±1%變化范圍118.8-121.2），隨機(jī)改變元件參數(shù)，并對每個(gè)取值執(zhí)行特定的分析。蒙特卡洛分析主要用于模擬設(shè)計(jì)量產(chǎn)時(shí)元器件精度偏差對系統(tǒng)性能可能產(chǎn)生的影響，每一個(gè)取值相當(dāng)于量產(chǎn)時(shí)的一套系統(tǒng)，蒙特卡洛分析最終從統(tǒng)計(jì)的角度研究系統(tǒng)中所有元器件的精度偏差加在一起時(shí)系統(tǒng)的性能邊界。使用Saber對CAN總線系統(tǒng)進(jìn)行物理層信號傳輸分析時(shí)需要對系統(tǒng)中的各個(gè)元器件設(shè)置參數(shù)容差（即器件精度），便于仿真器根據(jù)偏差量改變元件參數(shù)。

（五）帕累托分析

帕累托分析是一種統(tǒng)計(jì)分析方法，通過對蒙特卡洛仿真結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算性能指標(biāo)變化和各參數(shù)變化之間的相關(guān)性，計(jì)算結(jié)果用來獲得“統(tǒng)計(jì)靈敏度”，即與百分之一參數(shù)變化相關(guān)的指標(biāo)值變化百分比。

1.元器件應(yīng)力分析

主要用來評價(jià)系統(tǒng)中各個(gè)元器件是否工作在安全工作區(qū)以內(nèi)（比如電阻的功耗、收發(fā)器的耐壓等）。

應(yīng)力分析主要計(jì)算元器件的應(yīng)力比，并根據(jù)應(yīng)力比大小進(jìn)行排序，生成應(yīng)力分析報(bào)告，給出系統(tǒng)電路中各元器件的應(yīng)力狀況。

2.故障模式及影響分析

故障模式及影響分析通過仿真的手段模擬系統(tǒng)電路在元器件發(fā)生故障情況下的行為，并評估器件故障對性能的影響。

Saber的故障模式分析工具能夠幫助設(shè)計(jì)師在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)置并運(yùn)行故障模式試驗(yàn)。在故障模式分析過程中，部件可通過多種方式并在指定的時(shí)間引發(fā)故障。在某個(gè)故障發(fā)生時(shí)，Saber可以繼續(xù)執(zhí)行仿真，設(shè)計(jì)師就可以研究這項(xiàng)故障是如何影響性能的。故障失效模式分析的結(jié)果為故障模式分析報(bào)告，分析報(bào)告給出在元器件故障時(shí)，性能的功能（比如信號的傳輸）是否失效，系統(tǒng)性能指標(biāo)是否損失。endprint