基于CANoe的EPS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與仿真

詹克旭

（博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司，上海 201821）

隨著汽車電子技術(shù)的迅速發(fā)展，以及人們對汽車的舒適性、功能性、安全性要求的不斷提高，汽車上的電子控制單元變得越來越多。為了滿足汽車內(nèi)部各個節(jié)點(diǎn)之間的通信問題，CAN總線網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于車載控制器局域網(wǎng)。雖然現(xiàn)在車載總線如FlexRay、以太網(wǎng)也在逐步的發(fā)展，但CAN總線因其速度高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性和實時性好等特點(diǎn)，在車載總線應(yīng)用上沒有被影響，仍然占有重要的地位。

CANoe是德國Vector公司開發(fā)的系統(tǒng)級總線開發(fā)工具，它能支持總線開發(fā)的整個過程。從最初的設(shè)計、仿真到最終的分析測試，所有和總線相連的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可被仿真，實現(xiàn)真實物理總線和虛擬總線的連接。此外，CANoe工具也是單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)測試和整車網(wǎng)絡(luò)測試不可缺少的測試工具。它包含虛擬節(jié)點(diǎn)CAPL語言編程、CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫編輯器CAN－db++、Panel Generator用戶自定義面板組件以及一些集成的調(diào)試監(jiān)控組件。因此，CANoe工具可以滿足各種開發(fā)測試的需要。本文基于EPS系統(tǒng)的特點(diǎn)，就EPS系統(tǒng)工作所必須的ESC、EMS等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真設(shè)計，模擬實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)通信［1-2］。

1 EPS系統(tǒng)概述

EPS（Electric Power Steering）即電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向助力由電動助力機(jī)直接提供，省去了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的裝于發(fā)動機(jī)上的皮帶輪、傳送帶、軟管、動力轉(zhuǎn)向油泵和液壓油，既保護(hù)了環(huán)境，又節(jié)省能量。此外，其還具有裝配靈活、調(diào)整簡單以及在多種狀況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點(diǎn)［3-5］。

EPS的轉(zhuǎn)矩由電動機(jī)產(chǎn)生，提供給駕駛員的轉(zhuǎn)向動力需要經(jīng)過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減速及傳遞機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生。EPS是利用電動機(jī)作為助力源，由電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向參數(shù)和車速等因素完成助力控制，其原理概括如下。

轉(zhuǎn)向軸 （小齒輪軸）和轉(zhuǎn)矩傳感器連接在一起，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)矩傳感器開始工作，電子控制單元通過獲取輸入軸和輸出軸在扭桿作用下產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)動角位移變成的電信號，并根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器的信號決定電動機(jī)的助力電流的大小和旋轉(zhuǎn)方向，從而完成對助力轉(zhuǎn)向的實時控制。因此，EPS就可以很容易地實現(xiàn)在不同車速時提供電動機(jī)不同的助力效果，它保證了汽車在低速轉(zhuǎn)向行駛時輕便靈活，高速轉(zhuǎn)向行駛時穩(wěn)定可靠。

由于EPS正常工作離不開整車車速信號的獲取，考慮到安全等級的需要，車速值需要同時將總線車速、輪速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速三者聯(lián)合起來進(jìn)行判斷，保證車速的真實有效。因此，EPS的功能離不開與ESC（電子穩(wěn)定系統(tǒng)）和EMS（發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)）的總線通信，如果需要EPS實現(xiàn)某些高級功能，例如自動泊車功能，還要獲取APA（自動泊車輔助系統(tǒng)）的信號。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 創(chuàng)建CAN總線系統(tǒng)DBC

DBC （Data Base CAN） 文件是由德國Vector公司發(fā)布的［6］，它被用來描述單一CAN網(wǎng)絡(luò)中各邏輯節(jié)點(diǎn)信息，依據(jù)該文件可以開發(fā)出監(jiān)視和分析CAN網(wǎng)絡(luò)中所有邏輯節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。簡單來說，DBC是汽車ECU間進(jìn)行CAN通信的報文內(nèi)容，有了它相互之間才能聽懂。DBC是一種文件格式，.dbc文件是一個ASCII格式的文件，其.dbc擴(kuò)展名可用于定義CAN網(wǎng)絡(luò)。DBC由一系列的Message和Signal組成，文件定義了Message和Signal的屬性。

CAN總線DBC是分布式CAN網(wǎng)絡(luò)的主干。在開發(fā)基于CAN的分布式電子控制單元網(wǎng)絡(luò)時，以DBC文件形式進(jìn)行的通信描述是一個關(guān)鍵的組成部分。DBC數(shù)據(jù)庫的建立是按照OEM定義的通信Matrix列表來配置完成的，圖1為通信Matrix列表，定義了消息標(biāo)識符、消息名稱、發(fā)送周期、消息長度、信號位置等信息。相應(yīng)的，在DBC中需要實現(xiàn)Matrix列表中CAN網(wǎng)絡(luò)的特性和信息。

圖1 通信Matrix列表

DBC的編輯需要通過Vector工具的CANdb++實現(xiàn)，CAN－db++是集成在CANoe中用于編輯總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫文件的工具，利用它可以對報文及信號進(jìn)行解析，描述仿真對象總線的屬性，包括節(jié)點(diǎn)、報文、信號和環(huán)境變量等，根據(jù)CAN總線通信協(xié)議配置，把應(yīng)用層定義的各個參數(shù)加載到CANoe仿真環(huán)境中。

定義DBC數(shù)據(jù)庫時，先創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) （Nodes），再創(chuàng)建總線上所要傳輸?shù)膱笪?（Messages），按照從高到低的層次依次創(chuàng)建。此外，還要將報文與對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，該節(jié)點(diǎn)是接收報文還是發(fā)送報文需要進(jìn)行明確，最后還要創(chuàng)建報文中所要攜帶的數(shù)據(jù)，即信號 （Signal），并與報文相關(guān)聯(lián)。圖2為建立的DBC數(shù)據(jù)庫?？梢钥闯觯渲蠩SC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的其中一條報文已建立完成，DBC中詳細(xì)描述了ESC_Status報文，其內(nèi)部包含了諸如車速信號名稱、信號值、信號長度、信號起始位、信號存儲方式等相關(guān)詳細(xì)信號信息。

2.2 Panel設(shè)計

根據(jù)需求，上位機(jī)操作面板需要利用CANoe軟件自帶的的panel designer來編輯。在面板中添加所需要的控件，并編輯控件屬性?？梢跃庉嬁丶淖痔?、顏色和字體。此外，為了實現(xiàn)將各個節(jié)點(diǎn)與相連設(shè)備 （如車速、輪速等）相關(guān)聯(lián)，還需要定義與控制面板相關(guān)的環(huán)境變量 （Environment Variables），實現(xiàn)人機(jī)交互功能，來進(jìn)行相應(yīng)的控制，如圖3所示。

圖2 DBC數(shù)據(jù)庫

圖3 系統(tǒng)環(huán)境變量設(shè)置

本次設(shè)計的面板，主要是為了滿足EPS的功能需求，根據(jù)之前創(chuàng)建的DBC來進(jìn)行相應(yīng)消息和信號的添加。主要包括ESC、EMS、APA等，以此來提供EPS工作所必須的車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等信號信息，以及EPS高級功能的信號信息。通過“Group Box”將不同的消息進(jìn)行區(qū)分，“Group Box”內(nèi)部為該消息的信號信息。為了方便測試，通過“Switch”控件來進(jìn)行消息的啟／停發(fā)送操作，此外，還通過設(shè)置“Radio Box”、“Input／Output Box”、“Check Box”等控件，實現(xiàn)對信號信息是否有效的選擇、輸入值的設(shè)置 （信號值、信號長度），以及使能與否 （CheckSum、AliveCounter）等操作，設(shè)計的面板除了要考慮到正常通信功能外，還要考慮到日后測試中可以通過仿真環(huán)境來方便制造故障等情況，具體面板設(shè)計如圖4所示。

2.3 CAPL編程

CAPL（CAN Access Programming Language）語言是一種類似于C語言的語法，主要是針對CAN總線應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的。在CANoe中，為了實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的控制功能和控制算法，需要使用CAPL語言對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編程。通過CAPL語言的使用，既可以用來仿真單個節(jié)點(diǎn)，也可以用來仿真整個網(wǎng)絡(luò)，還可以仿真外部環(huán)境，可以進(jìn)行半仿真或者全仿真測試［7-8］。

CAPL語言是面向事件的編程語言，在CANoe中，可以用來編程的事件包括總線控制器事件、總線消息事件、環(huán)境變量事件、錯誤幀事件、系統(tǒng)事件、時間事件和鍵盤事件，并執(zhí)行和事件相關(guān)的程序。總線控制器事件是硬件檢測到各種總線錯誤時執(zhí)行?？偩€消息事件是接收到指定的消息時執(zhí)行，on message Message{……}，表示接受到指定消息時執(zhí)行。環(huán)境變量事件是指定的環(huán)境變量值改變時執(zhí)行。錯誤幀事件是硬件每次檢測到錯誤幀時執(zhí)行。系統(tǒng)事件包括3種，CANoe初始化時執(zhí)行、測量開始時執(zhí)行和測量結(jié)束時執(zhí)行。時間事件是定時時間超過時執(zhí)行，on timer Mytimer{……}，將Mytimer聲明為以秒為單位的定時。鍵盤事件是指定的按鍵被按下時執(zhí)行，on key'a'{……}，表示按鍵盤'a'時反應(yīng)。

圖4 Panel控制面板

在代碼實現(xiàn)上，還要考慮到物理實際值和總線值可能是有區(qū)別的，使用CAPL編程來模擬實際節(jié)點(diǎn)的功能時，有些信號信息還需要通過轉(zhuǎn)換系數(shù)來進(jìn)行物理值和實際值的轉(zhuǎn)換，如圖5所示。此外，還要考慮到諸如CRC校驗算法等代碼實現(xiàn)。通過CAPL編輯器代碼實現(xiàn)，代碼與控制面板相關(guān)聯(lián)，最終實現(xiàn)可以通過控制面板，進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)幀。不同的虛擬節(jié)點(diǎn)配合CAPL代碼和控制面板，就可以在CANoe仿真環(huán)境中方便地實現(xiàn)與之相對應(yīng)的物理節(jié)點(diǎn)的功能。

3 系統(tǒng)仿真與測試

創(chuàng)建CAN網(wǎng)絡(luò)的DBC文件、建立上位機(jī)操作面板和CAPL編程后，便可以對系統(tǒng)進(jìn)行全仿真。全仿真是全部虛擬節(jié)點(diǎn)的仿真，沒有物理節(jié)點(diǎn)的參與。

將CANoe一端連接電腦，另一端連接EPS，連接并配置好CANoe，點(diǎn)擊運(yùn)行，系統(tǒng)便開始工作。通過trace窗口，可以觀察總線上收發(fā)的數(shù)據(jù)。通過操作CANoe的上位機(jī)控制面板，可以輸入不同的信號值，更改不同的狀態(tài)來觀察信號的變化，如圖6所示。

為了驗證仿真是否有效，分別進(jìn)行如下幾方面的測試。

圖5 CAPL代碼實現(xiàn)

圖6 系統(tǒng)仿真

1）通過trace窗口觀察發(fā)送和接收的仿真消息，輸入的信號信息是否顯示正確，如果出現(xiàn)錯誤，則可以分析錯誤的原因。

2）通過操作上位機(jī)控制面板的開關(guān)，來對消息進(jìn)行啟／停操作，觀察trace窗口，消息是否進(jìn)行正常發(fā)送和停止發(fā)送響應(yīng)。

3）通過操作上位機(jī)控制面板的復(fù)選框勾選，控制消息發(fā)送過程中是否進(jìn)行CheckSum、AliveCounter，觀察trace窗口，來確認(rèn)該功能是否實現(xiàn)。

4）在確認(rèn)1、2、3三項功能正常的情況下，通過操作CANoe上位機(jī)控制面板發(fā)送正確的信號信息，如車速信息，通過手動控制EPS，看是否提供相應(yīng)的助力，已確認(rèn)仿真信號真實有效。

5）通過操作上位機(jī)控制面板發(fā)送其他不同的消息信號信息，如高級功能所需信號信息，確定EPS是否具有相應(yīng)的功能響應(yīng)。

經(jīng)測試，該仿真控制面板可以正確模擬相關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號發(fā)送，發(fā)送的信號真實有效。可以在仿真環(huán)境下模擬整車的信號信息，滿足EPS系統(tǒng)開發(fā)的信號需求，達(dá)到了仿真的預(yù)期效果。同時，通過仿真環(huán)境的設(shè)計，還可以進(jìn)行各種信號故障情況的模擬，有利于EPS系統(tǒng)的后續(xù)開發(fā)和系統(tǒng)的完善。

4 結(jié)論

對于整車廠和汽車電子供應(yīng)商來說，Vector公司的CANoe軟件是車載網(wǎng)絡(luò)在開發(fā)過程中必不可少的工具。通過CANoe軟件對整車網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境的搭建，在汽車電子產(chǎn)品開發(fā)過程中，這種方法對開發(fā)CAN總線車載網(wǎng)絡(luò)具有很大的幫助，可以有效地克服效率低、盲目性、高成本、重復(fù)性等不足。

本文利用CANoe軟件實現(xiàn)了EPS系統(tǒng)整車網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的仿真開發(fā)，仿真環(huán)境包括了EPS系統(tǒng)功能所需要的所有消息和信號信息。通過面板的設(shè)計，提供了人機(jī)操作界面，方便操作。通過仿真測試表明，該網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)之間的通信真實有效，本次設(shè)計的EPS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境是一個切實可行的CAN總線應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，該仿真網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法可以被廣泛應(yīng)用到不同汽車電子軟件產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計中。