CAN總線的信號(hào)時(shí)序分析

周紅英

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

引言

CAN總線技術(shù)是當(dāng)前汽車行業(yè)中廣泛使用的一種通訊技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于信息傳輸量大，抗干擾性強(qiáng)，節(jié)約整車線束。隨著越來(lái)越多的OEM采用“V”模型進(jìn)行整車零部件開(kāi)發(fā)，總線技術(shù)也采用了該模型。在傳統(tǒng)“V”開(kāi)發(fā)模型中，前期的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)僅通過(guò)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)對(duì)總線進(jìn)行設(shè)計(jì)，加大了后期集成測(cè)試、驗(yàn)證工作量及整改周期。

為解決因前期設(shè)計(jì)導(dǎo)致的后期測(cè)試及驗(yàn)證問(wèn)題，在前期設(shè)計(jì)過(guò)程中引入信號(hào)的時(shí)序分析來(lái)對(duì)信號(hào)在總線上的傳輸時(shí)間進(jìn)行分段并精確計(jì)算，確保信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，減少后期測(cè)試及驗(yàn)證的工作量，降低了整改成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

1 傳統(tǒng)“V”開(kāi)發(fā)模型

傳統(tǒng)的“V”開(kāi)發(fā)模型是當(dāng)前汽車廠家及零部件廠家普遍采用的一種產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式，如圖1所示。

傳統(tǒng)的“V”開(kāi)發(fā)模型將開(kāi)發(fā)過(guò)程分為三個(gè)部分：

第一部分：前期設(shè)計(jì)階段，OEM對(duì)開(kāi)發(fā)需求進(jìn)行分析，明確其設(shè)計(jì)需求、架構(gòu)并制定相應(yīng)的規(guī)范文檔。

第二部分：供應(yīng)商設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，供應(yīng)商按照 OEM 釋放的規(guī)范要求進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

第三部分：OEM設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，OEM對(duì)供應(yīng)商開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

圖1 傳統(tǒng)“V”開(kāi)發(fā)模型

傳統(tǒng)的“V”開(kāi)發(fā)模型以產(chǎn)品設(shè)計(jì)及驗(yàn)證為主。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，OEM需要對(duì)整車的配置、車輛需求等進(jìn)行分析，與供應(yīng)商技術(shù)人員進(jìn)行充分的技術(shù)交流，確定CAN總線系統(tǒng)的硬件規(guī)范要求、交互層規(guī)范要求、網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范要求及整車信號(hào)列表，并將以上文件釋放給廠家進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

供應(yīng)商按照OEM釋放的各種CAN總線系統(tǒng)規(guī)范要求，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行硬件及軟件的設(shè)計(jì)，并按照規(guī)范要求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，當(dāng)供應(yīng)商測(cè)試通過(guò)，滿足 OEM要求時(shí)，供應(yīng)商提供產(chǎn)品給OEM進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

OEM 將各供應(yīng)商提供的產(chǎn)品參考整車裝配模式進(jìn)行安裝，構(gòu)建臺(tái)架進(jìn)行集成測(cè)試，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)反饋供應(yīng)商進(jìn)行整改，并重新提交樣件，如果發(fā)現(xiàn)規(guī)范存在問(wèn)題，更改相應(yīng)的規(guī)范，并釋放供應(yīng)商進(jìn)行功能更改。

2 傳統(tǒng)“V”開(kāi)發(fā)模型缺陷分析

傳統(tǒng)的“V”開(kāi)發(fā)模型中產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段工作，主要是依據(jù)技術(shù)人員的技術(shù)能力及開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行中線系統(tǒng)的規(guī)范及整車信號(hào)列表設(shè)計(jì)，無(wú)法對(duì)總線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)兼容性和集成的可靠性進(jìn)行評(píng)估，后期采用大量的測(cè)試及驗(yàn)證來(lái)校驗(yàn)前期的設(shè)計(jì)工作的準(zhǔn)確性。此方法對(duì)技術(shù)人員有很高的要求，需要技術(shù)人員了解整車的電器功能以及各功能的輸入輸出信號(hào)的定義，但隨著整車電器設(shè)備的增加，電器功能越來(lái)越復(fù)雜，總線網(wǎng)絡(luò)的前期設(shè)計(jì)面臨更大的挑戰(zhàn)。

（1）電器功能對(duì)于總線信號(hào)的時(shí)間延時(shí)無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。在整車電器功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中需要定義功能實(shí)現(xiàn)的時(shí)間，確保在此時(shí)間內(nèi)電器功能能正常的實(shí)現(xiàn)，并且達(dá)到使用顧客的預(yù)期。因總線系統(tǒng)的引入，電器功能的很多輸入、輸出均通過(guò)總線系統(tǒng)進(jìn)行通信，因此總線信號(hào)的時(shí)間延時(shí)嚴(yán)重的影響到了電器功能的實(shí)現(xiàn)時(shí)間。采用傳統(tǒng)的“V”開(kāi)發(fā)模型進(jìn)行總線開(kāi)發(fā)無(wú)法考慮到此部分，需在后期驗(yàn)證過(guò)程對(duì)電器功能進(jìn)行驗(yàn)證。

（2）測(cè)試驗(yàn)證階段無(wú)法對(duì)偶發(fā)現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程中，僅能對(duì)整車正常情況下進(jìn)行電器功能的測(cè)試，無(wú)法在總線負(fù)載較高或達(dá)到峰值的時(shí)候進(jìn)行測(cè)試，并不能測(cè)試整車電器功能在最差情況下功能實(shí)現(xiàn)情況。

隨著電器設(shè)備的增多，電器單元的通信更復(fù)雜，傳統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)越來(lái)越困難，無(wú)法滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。

3 VNA的開(kāi)發(fā)模式

針對(duì)與傳統(tǒng)總線系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式的弊端，Mentor Graphics公司開(kāi)發(fā)了 VNA軟件，在傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)技術(shù)中加強(qiáng)了對(duì)信號(hào)延時(shí)時(shí)間的分析，考慮到總線信號(hào)在最差情況下的延時(shí)時(shí)間，在此基礎(chǔ)上對(duì)總線的通信ID、周期等進(jìn)行分配，確保電器功能的正常實(shí)現(xiàn)。

3.1 設(shè)機(jī)構(gòu)想

一個(gè)由多個(gè)控制器共同實(shí)現(xiàn)的功能過(guò)程包括信息的采集、處理，在網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)傳輸，控制器對(duì)信息的處理，最后驅(qū)動(dòng)負(fù)載執(zhí)行。根據(jù)功能重要程度，對(duì)每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)均設(shè)定一個(gè)最大功能時(shí)間（Max Age），如果超過(guò)這個(gè)時(shí)間要求，功能將不能執(zhí)行或?qū)Π踩刃枰斐晌：ΑＯ喾慈绻盘?hào)傳遞的整個(gè)過(guò)程能滿足最大功能時(shí)間限制，功能將正常實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性將得到保證。

如儀表顯示車速的功能（如圖2所示）：

圖2 Max Age時(shí)間

按照VNA的設(shè)計(jì)構(gòu)想，將整個(gè)電器功能實(shí)現(xiàn)分為6個(gè)部分，分別為信號(hào)采集、信號(hào)處理（發(fā)送ECU）、信號(hào)傳輸、信號(hào)接收、信號(hào)處理（接收 ECU）、信號(hào)應(yīng)用。其中兩端的時(shí)間延時(shí)TPL和TSL在ECU內(nèi)部控制實(shí)現(xiàn)，其它幾部分的時(shí)間延時(shí)均可以在 VNA中進(jìn)行控制，以保證總線的通訊滿足Max Age的時(shí)間要求，時(shí)序如圖3所示。

圖3 Max Age時(shí)序模型

3.2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

VNA軟件會(huì)將以上幾部分時(shí)間在內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算并得出其最差的時(shí)間長(zhǎng)度，并將各部分最差時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行加法運(yùn)算，確定其時(shí)間是否在Max Age時(shí)間范圍內(nèi)，未保證電器功能的穩(wěn)定性，一般要求其計(jì)算得出的時(shí)間在Max Age的2/3處為最佳，其功能時(shí)間計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 功能時(shí)間計(jì)算

3.3 測(cè)試驗(yàn)證

ECU測(cè)試分為零部件測(cè)試及系統(tǒng)測(cè)試，其中零部件測(cè)試在供應(yīng)商處完成，系統(tǒng)測(cè)試在OEM完成。

測(cè)試過(guò)程均可采用通用的測(cè)試設(shè)備，如 Vector公司的CANoe、CANStress、CANScope，Mentor公司的 Tellus等。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的“V”開(kāi)發(fā)模型方式已越來(lái)越顯示出局限性，VNA軟件在其中彌補(bǔ)了其中的不足，不但節(jié)約了人力物力，還節(jié)約了開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高了通訊功能的可靠性，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。因此在整車OEM廠家推廣應(yīng)用VNA進(jìn)行總線設(shè)計(jì)，顯得越來(lái)越重要和必要。