基于Vector工具鏈車載總線自動(dòng)化測試系統(tǒng)研究

王濤 楊年炯 宋李棟

摘? 要：隨著智能網(wǎng)聯(lián)車輛技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車自動(dòng)化程度越來越高，當(dāng)總線網(wǎng)絡(luò)需要更多數(shù)量的電子控制單元（ECU，electronic control unit），車載總線的布局越來越復(fù)雜時(shí)，傳統(tǒng)搭建車載總線測試臺架效率較低、通用性差，不能滿足主機(jī)廠測試需求.通過深入研究車載控制器局域網(wǎng)（CAN，controller area network）總線的測試，分析了傳統(tǒng)測試臺架的缺點(diǎn)，提出了一種基于Vector工具鏈車載CAN總線自動(dòng)化測試系統(tǒng).該系統(tǒng)通過Vector工具鏈之間的功能聯(lián)系，采用能被CAPL語言調(diào)用的C++語言開發(fā)的底層驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)車載CAN總線、LIN（local? ?interconnect network）總線自動(dòng)化測試.本文設(shè)計(jì)了與人工測試的對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)不僅能解決車載總線測試通用性差的缺點(diǎn)，而且還提高了測試效率.

關(guān)鍵詞：CAN總線;自動(dòng)化測試;Vector工具鏈

中圖分類號：TP273;U463.6? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.01.009

0? ? 引言

CAN是控制器局域網(wǎng)（controller area network）的簡稱，是德國Bosch開發(fā)的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議，主要進(jìn)行汽車執(zhí)行元件之間的數(shù)據(jù)通信[1].目前國內(nèi)中高檔轎車中至少包含20～30個(gè)電子控制單元（ECU，electronic control unit），這些電控單元分布在3～5種不同的網(wǎng)段中，有可能造成總線網(wǎng)絡(luò)異常，難以保障汽車安全性.隨著ECU數(shù)量的增加以及子網(wǎng)段數(shù)量的增加，國內(nèi)外普遍采用自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)完成各子網(wǎng)段不同ECU的網(wǎng)絡(luò)測試工作.

對此，國內(nèi)外學(xué)者均做了一定的研究.曹尚貴 等[2]解決了測試精度差、偶發(fā)網(wǎng)絡(luò)故障等問題;郭志剛、李中偉等[3-4]研究一套車載總線自動(dòng)化測試系統(tǒng)解決總線通訊安全、測試效率低的問題;王征宇等[5-7]提出基于Vector工具鏈車載總線硬件在環(huán)自動(dòng)化測試系統(tǒng).雖然上述總線測試系統(tǒng)都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但是還不能滿足當(dāng)前主機(jī)廠總線測試需求.文中提出了一種基于Vector工具鏈車載總線自動(dòng)化測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有通用性強(qiáng)（可實(shí)現(xiàn)CAN總線和LIN總線測試）、測試效率高的優(yōu)點(diǎn)，解決以往車載總線測試項(xiàng)目中周期長、測試類型單一的缺點(diǎn).

1? ? 測試需求分析

目前，多數(shù)汽車的控制器聯(lián)網(wǎng)都以CAN作為通信協(xié)議，在人工測試環(huán)境下，效率較低，影響主機(jī)廠生產(chǎn)效率[8]，因此，擁有一整套車載總線自動(dòng)化測試成為主機(jī)廠的迫切需求.實(shí)車電子控制單元總線自動(dòng)化測試需求表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面.

1.1? ?測試環(huán)境

傳統(tǒng)測試環(huán)境如圖1所示.根據(jù)測試需求，把被測設(shè)備與測試儀器進(jìn)行連接.測試過程中不斷改變供電情況，反復(fù)切換電源開關(guān)，這樣復(fù)雜的線路連接可能導(dǎo)致線路短接、斷開等.

1.2? ?測試效率

隨著現(xiàn)代汽車智能化的快速發(fā)展，車載CAN總線結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，測試時(shí)間成倍增加，測試周期較長，因此，測試效率成為考核自動(dòng)化測試系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo).

1.3? ?自動(dòng)生成測試報(bào)告功能

完成測試后，需要做出測試報(bào)告，每個(gè)主機(jī)廠對報(bào)告格式的要求不同.測試數(shù)據(jù)整理完成后，人工輸出測試報(bào)告，大量耗費(fèi)測試人員的時(shí)間，效率較低.自動(dòng)化測試系統(tǒng)根據(jù)主機(jī)廠測試規(guī)范自動(dòng)生成測試報(bào)告，大大提高了測試效率.

1.4? ?測試范圍廣

本文研究的自動(dòng)化測試系統(tǒng)可完成包括CAN通信測試、CAN網(wǎng)關(guān)測試和LIN總線測試等，實(shí)現(xiàn)一體多用.

2? ? 軟件與硬件平臺實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

車載總線自動(dòng)化測試系統(tǒng)分硬件平臺與軟件管理平臺兩大部分.通過Vector工具（CANcase、CANscope、CANstress等）實(shí)現(xiàn)集成硬件平臺，主要對被測ECU實(shí)現(xiàn)電源管理、數(shù)據(jù)記錄、診斷分析、波形分析等功能[9].自動(dòng)化測試系統(tǒng)軟件管理平臺，通過CANoe（CAN open environment）[10]實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試系統(tǒng)軟件管理平臺的仿真模型建立.通過CAPL程序語言，開發(fā)自動(dòng)化測試程序，根據(jù)測試規(guī)范編寫用例.CANoe導(dǎo)入DBC（database can）完成數(shù)據(jù)配置.設(shè)備程控管理、自動(dòng)執(zhí)行總線測試、測試報(bào)告表的生成及上傳等功能[11-12]，通過CAPL程序?qū)崿F(xiàn)，并調(diào)用底層庫函數(shù).

2.1? ?硬件平臺設(shè)計(jì)

測試平臺的各個(gè)硬件設(shè)備之間的連接需要有序?qū)崿F(xiàn)測試過程中設(shè)備之間的交互通信，安裝設(shè)備在機(jī)柜中的位置選擇需要充分考慮人性化[13].

電源管理模塊用于供電控制測試系統(tǒng)，可以通斷電源，同時(shí)具備保護(hù)電路功能.如圖2 所示，PDU電源模塊有獨(dú)立開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和關(guān)閉，防止突然斷電或短路等而損壞設(shè)備.高精度網(wǎng)絡(luò)示波器（agilent DSO-X 3014A）主要實(shí)現(xiàn)對CAN信號輸出特性的精確捕捉、測量及分析.該示波器可以通過波形分析實(shí)現(xiàn)CAN總線物理層測試，且其帶有示波器程控接口，具有CAN/LIN信號采集分析能力，帶CAN/LIN解碼模塊，可同時(shí)測量兩路不同速率的CAN信號，自動(dòng)獲取波特率.CANstress主要是對CAN總線信號、物理屬性及邏輯電位進(jìn)行干擾，自動(dòng)化測試系統(tǒng)通過CAPL程序執(zhí)行命令，干擾邏輯控制短路、線/電源（地）短路及斷路、位錯(cuò)誤模擬，這些有目的的干擾節(jié)點(diǎn)，可破壞CAN報(bào)文特定的位域.

硬件平臺設(shè)計(jì)的核心部分是多通道測試板卡，如圖3所示.多通道測試板卡的功能主要是對機(jī)柜電源及信號的控制.板卡通過對繼電器矩陣的? ? ? 控制，可實(shí)現(xiàn)對CANH、CANL、GENG、Power Supply等的控制;板卡內(nèi)部有CANstress、Input、 Output接口，用于連接放置在機(jī)柜內(nèi)部的CAN stress設(shè)備（在物理層測試時(shí)斷開CANstress設(shè)備，避免其干擾總線物理層波形）;IO板卡可模擬被測控制器的觸發(fā)信號，實(shí)現(xiàn)事件報(bào)文的測試;通過硬件平臺設(shè)計(jì)的多通道測試板卡的不同總線信號控制，實(shí)現(xiàn)不同總線的測試.接口面板固定在測試板卡前面板中，通過接口面板可以連接ECU的兩路電源、地、CANH、CANL及IO控制端.

2.2? ?軟件管理平臺系統(tǒng)

通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)測試設(shè)備、被測設(shè)備之間的交互是自動(dòng)化測試的關(guān)鍵.實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化首先要通過編寫驅(qū)動(dòng)底層的驅(qū)動(dòng)程序來控制設(shè)備，建立基本通信.在自動(dòng)化測試機(jī)柜中，開發(fā)程控電源、示波器和CANstress DR底層驅(qū)動(dòng)，主要實(shí)現(xiàn)測試用的自動(dòng)執(zhí)行和對設(shè)備遠(yuǎn)程控制.開發(fā)語言需要能被CAPL調(diào)用的底層驅(qū)動(dòng).采用C++語言，在CANoe軟件提供的CAPLDLL工程中對設(shè)備的調(diào)用進(jìn)行封裝，生成capldll.dll文件[10].具備測試執(zhí)行、數(shù)據(jù)庫管理功能的 CAN總線網(wǎng)絡(luò)測試管理系統(tǒng)，也是前臺運(yùn)行軟件，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）數(shù)據(jù)記錄：測試執(zhí)行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)按測試用例保存至系統(tǒng)指定文件夾，方便對結(jié)果的分析.對于CAN測試，測試過程的日志（LOG）文件將以 ASC 格式的測試數(shù)據(jù)文件自動(dòng)存儲在特定的文件夾目錄中，并可以打開查看.

2）測試報(bào)告：測試報(bào)告主要用來記錄測試結(jié)果.在測試執(zhí)行完成后點(diǎn)擊測試執(zhí)行界面的“生成測試報(bào)告”即可生成excel格式的測試報(bào)告.測試報(bào)告中不僅有目錄，還有詳細(xì)的測試標(biāo)準(zhǔn)，程序會根據(jù)測試結(jié)果和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確判斷該測試項(xiàng)通過與否，測試人員可以根據(jù)測試報(bào)告清楚知道問題出在哪里.

3）參數(shù)配置：可以通過參數(shù)配置面板進(jìn)行常用參數(shù)配置，具體配置參數(shù)在測試程序開發(fā)中定義.

4）導(dǎo)入配置：除了通過配置面板進(jìn)行參數(shù)配置，也可以采用參數(shù)導(dǎo)入方式增加配置.例如測試信息錄入：采用特定的excel模板可自動(dòng)導(dǎo)入DUT版本信息，包括測試人員信息、被測設(shè)備供電電壓以及測試時(shí)間等.

2.3? ?管理軟件與執(zhí)行軟件交互方式

動(dòng)態(tài)鏈接庫、INI配置文件是執(zhí)行軟件與測試管理軟件之間的交互方式.管理軟件將從執(zhí)行軟件中獲得的信息存入數(shù)據(jù)庫中，用來生成測試報(bào)告（包括當(dāng)前測試及歷史測試）.管理軟件與執(zhí)行軟件的交互可以實(shí)現(xiàn)測試管理軟件對CAN總線測試軟件的調(diào)用，并獲得最終的測試狀態(tài)（例如是否測試執(zhí)行完成）.對于用戶輸入的數(shù)據(jù)和文件，上位機(jī)管理軟件會自動(dòng)生成對應(yīng)的INI文件，在測試執(zhí)行過程中進(jìn)行調(diào)用.圖4為交互流程圖.

3? ? 自動(dòng)化測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證自動(dòng)化測試系統(tǒng)測試效率與通用性，以某主機(jī)廠BCM（body control module）車身模塊CAN總線“BUS OFF”和LIN主節(jié)點(diǎn)調(diào)度表測試為例，設(shè)計(jì)人工測試和自動(dòng)化測試系統(tǒng)測試，通過比較分析，驗(yàn)證了自動(dòng)化測試系統(tǒng)的測試效率高、通用性強(qiáng).

3.1? 人工測試分析

BUS OFF是BCM發(fā)送錯(cuò)誤幀計(jì)數(shù)器累計(jì)超過255后進(jìn)入的總線關(guān)閉狀態(tài).CAN總線通訊協(xié)議定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)接收和發(fā)送錯(cuò)誤幀計(jì)數(shù)器，發(fā)送或接收有錯(cuò)誤幀，計(jì)數(shù)器增加特定的值，如果計(jì)數(shù)器減1，說明發(fā)送或接收成功.BCM進(jìn)入BUS OFF狀態(tài)后，進(jìn)入連續(xù)5次快速恢復(fù)模式，如果總線上仍有錯(cuò)誤幀，將執(zhí)行慢速恢復(fù)，直到總線關(guān)閉，故障恢復(fù)，并且慢速恢復(fù)模式結(jié)束.DUT上電，總線通信穩(wěn)定，DUT所發(fā)送的報(bào)文用CANoe記錄，使用CAN stress（DR）使ID報(bào)文發(fā)生? 32*6次干擾，監(jiān)控DUT快速恢復(fù)的次數(shù).

首先，通過有線連接搭建BCM測試臺架，人為制造BUS OFF故障.用電腦連接臺架記錄通訊數(shù)據(jù)，如圖5所示為CANoe的Trace窗口記錄情況.Trace窗口中標(biāo)記之間分別是一次快恢復(fù)和一次慢恢復(fù)，通過觀察Trace窗口的報(bào)文記錄快（上）、慢（下）恢復(fù)次數(shù).由于快恢復(fù)需要50 s左右，慢恢復(fù)需要差不多190 s，Trace窗口報(bào)文數(shù)量較多，需要整理數(shù)據(jù)才能完成測試報(bào)告，使BCM主機(jī)廠測試耗時(shí)長且效率低.

3.2? ?CAN總線自動(dòng)化測試

自動(dòng)化測試系統(tǒng)只需從測試系統(tǒng)接出CANH、CANL、KL30電、KL15電和GND與被測BCM相連接，即可開始測試.自動(dòng)化測試環(huán)境如圖6所示.

與手動(dòng)測試相比，自動(dòng)化測試系統(tǒng)有良好的測試環(huán)境，不會發(fā)生導(dǎo)線之間短路導(dǎo)致測試過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤幀的情況.自動(dòng)化測試系統(tǒng)通過測試工程師登錄測試系統(tǒng)界面，根據(jù)測試需求進(jìn)行測試類型和測試用例的選取;其次，填寫節(jié)點(diǎn)配置表（主節(jié)點(diǎn)、有無終端電阻等內(nèi)容），一鍵導(dǎo)入DBC配置節(jié)點(diǎn)屬性信息;然后，測試人員運(yùn)行測試系統(tǒng)，自動(dòng)分析數(shù)據(jù)后執(zhí)行系統(tǒng)會調(diào)用CANoe;最后，自動(dòng)生成測試報(bào)告.圖7為系統(tǒng)自動(dòng)生成的測試報(bào)告，直接顯示出進(jìn)行BUS OFF測試的快速恢復(fù)和慢恢復(fù)次數(shù).由于被測BCM BUS OFF滿足測試定義，進(jìn)行了5次快速恢復(fù)再進(jìn)入慢恢復(fù)，所以該項(xiàng)測試結(jié)果為通過項(xiàng).整個(gè)自動(dòng)測試過程時(shí)間大概30 s，這相比于手動(dòng)測試速度提升了十幾倍，驗(yàn)證了自動(dòng)化測試系統(tǒng)的高效的執(zhí)行率.

3.3? ?LIN總線主節(jié)點(diǎn)調(diào)度表自動(dòng)化測試分析

現(xiàn)對LIN主節(jié)點(diǎn)調(diào)度表順序測試，進(jìn)一步驗(yàn)證測試系統(tǒng)的通用性.首先自動(dòng)化測試系統(tǒng)接入BCM樣件，運(yùn)行系統(tǒng)，測試系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用Trace記錄窗口，清楚地看到BCM發(fā)送“LIN主節(jié)點(diǎn)”的數(shù)據(jù)，如圖8 Trace記錄窗口所示.如果主節(jié)點(diǎn)判斷沒有新的調(diào)度表需要處理，當(dāng)前運(yùn)行的調(diào)度表將一直順序執(zhí)行，結(jié)束后再從開始循環(huán)執(zhí)行.當(dāng)主節(jié)點(diǎn)判斷需要切換新的調(diào)度表時(shí)，必須在幀時(shí)隙開始時(shí)進(jìn)行切換，以保證不破壞之前傳輸?shù)膱?bào)文.

最后，系統(tǒng)自動(dòng)生成測試報(bào)告.如圖9所示，“LIN主節(jié)點(diǎn)調(diào)度測試表”實(shí)際發(fā)送LIN主節(jié)點(diǎn)ID與標(biāo)準(zhǔn)ID有部分不一致，主節(jié)點(diǎn)判斷需要切換新的調(diào)度表，保證不破壞報(bào)文傳輸.

4? ? 結(jié)論

本文針對車載總線自動(dòng)化測試展開討論，通過CAPL語言環(huán)境實(shí)現(xiàn)上機(jī)位平臺操作，提出一種基于Vector工具鏈車載總線自動(dòng)化測試系統(tǒng).最后進(jìn)行手動(dòng)測試與自動(dòng)化測試的比較分析并結(jié)合實(shí)踐操作，通過驗(yàn)證后得出以下結(jié)論：

1）通過與手動(dòng)測試的比較分析，驗(yàn)證了自動(dòng)化測試系統(tǒng)在很大程度上提高了主機(jī)廠測試效率.

2）通過“LIN主節(jié)點(diǎn)調(diào)度表”測試，驗(yàn)證了自動(dòng)化測試系統(tǒng)的通用性.

車載總線自動(dòng)化測試系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)測試能大大提高主機(jī)廠效率，且能實(shí)現(xiàn)一體多用，對車載總線自動(dòng)化測試有一定借鑒作用.

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