基于零部件的CAN網(wǎng)絡(luò)測試研究

陸祖委

摘 要：隨著汽車電氣化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化程度的提高，整車電器架構(gòu)越來越復(fù)雜，對車載CAN網(wǎng)絡(luò)的可靠性、穩(wěn)定性都提出了更高的要求， CAN網(wǎng)絡(luò)測試在車型開發(fā)中扮演的角色也越來越重要。本文基于單零部件的CAN網(wǎng)絡(luò)測試，對采用J1939協(xié)議的商用車24V電器零部件CAN網(wǎng)絡(luò)主要測試內(nèi)容及測試方法深入討論，并對CAN網(wǎng)絡(luò)測試的未來發(fā)展趨勢作簡單分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：汽車電器 車載通訊 CAN網(wǎng)絡(luò)測試

Research on Component-based CAN Network Testing

Lu Zuwei

Abstract：With the improvement of vehicle electrification， intelligence and networking， the electrical architecture of the whole vehicle is becoming more and more complex， which puts forward higher requirements for the reliability and stability of the on-board CAN network， and the role of CAN network testing in model development is becoming more and more important. Based on the CAN network test of single components， this paper discusses the main test content and test methods of CAN network for 24V electrical parts of commercial vehicles using J1939 protocol， and briefly analyzes the future development trend of CAN network testing for reference.

Key words：automotive electrical appliances， telematics， CAN network test

1 前言

整車電器功能的實現(xiàn)往往需要多個以上的電器系統(tǒng)交互實現(xiàn)，目前車載CAN網(wǎng)絡(luò)已被廣泛應(yīng)用于車載通訊，CAN網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性是功能可靠實現(xiàn)的基礎(chǔ)。在零部件開發(fā)過程中同步開展CAN網(wǎng)絡(luò)測試，提前發(fā)現(xiàn)不符合要求的參數(shù)指標并進行整改，可以有效降低整車電器故障的發(fā)生概率。

2 物理層的測試

2.1 欠電壓/過電壓測試

整車蓄電池在用車過程中處于波動狀態(tài)，在饋電狀態(tài)下往往能降到20V以下，車輛啟動對其充電時或滿電時，能達到28V以上，這對零部件CAN網(wǎng)絡(luò)的電壓適應(yīng)性提出了一定要求。通常需要確保在18V-32V電壓范圍內(nèi)，CAN網(wǎng)絡(luò)依然能正常通訊。另外，涉及與發(fā)動機啟動相關(guān)的CAN節(jié)點，需要能適應(yīng)更低的電壓。這是因為在發(fā)動機啟動過程中，蓄電池電壓會被啟動電機拉低，降幅可達10V以上。測試過程中，可將零部件按標稱電壓24V供電，緩慢調(diào)節(jié)電壓降低或升高，同時使用CAN總線測試設(shè)備監(jiān)測其發(fā)送報文，確認在設(shè)計電壓范圍內(nèi)CAN網(wǎng)絡(luò)無異常，不出現(xiàn)錯誤幀、丟幀等情況。

2.2 顯性位/隱性位電壓測試

CAN電壓正確輸出是接收節(jié)點識別其邏輯電平的基礎(chǔ)，若CAN電壓幅值超出允許范圍，接收節(jié)點將誤判為接收到的邏輯電平為翻轉(zhuǎn)，在校驗時收發(fā)邏輯電平不一致，導(dǎo)致CAN網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)錯誤幀并最終造成CAN網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉。測試過程中，使用示波器分別測試顯性位、隱性位的CAN_H、CAN_L、CAN_diff電壓，核對是否處于允許范圍內(nèi)。CAN收發(fā)器驅(qū)動CAN電壓的能力可能會受到供電電壓的影響，故除了在標稱電壓24V下開展測試外，也需要對欠電壓、過電壓的情況進行測試，如在18V、32V。如下是24V工作電壓下EMS的顯性位/隱性位電壓測試結(jié)果：

2.3 上升沿/下降沿時間測試

CAN電壓的上升沿時間、下降沿時間指的分別是CAN_diff電壓波形從發(fā)送隱性位電壓轉(zhuǎn)變?yōu)轱@性位電壓、從發(fā)送顯性位電壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡[性位電壓時10%-90%的電壓區(qū)間對應(yīng)的持續(xù)時間。上升沿時間、下降沿時間過大將導(dǎo)致接收節(jié)點采樣錯誤，造成接收節(jié)點判斷邏輯電平錯誤；上升沿時間、下降沿時間過小將導(dǎo)致零部件EMC輻射發(fā)射超標，故需要將上升沿時間、下降沿時間限定在合理范圍內(nèi)。使用CAN示波器捕捉CAN節(jié)點發(fā)送任意報文的CAN_diff電壓波形，分別截取上升、下降電壓波形幅值的10%-90%，此區(qū)間經(jīng)歷的時間即為上升沿/下降沿時間。如下為某零部件CAN電壓上升沿時間，為166ns。

2.4 位時間測試

位時間指的是總線上傳輸一個位所經(jīng)歷的時間，為CAN波特率的倒數(shù)，以500kbps波特率為例，其標稱位時間為2000ns。位時間超出范圍時，總線位定時與同步將發(fā)生錯誤，導(dǎo)致CAN網(wǎng)絡(luò)故障。測試時，使用示波器測量DUT所發(fā)送的任意幀報文的CAN_diff波形，計算該報文中所有位發(fā)送所經(jīng)歷的時間，最終計算出平均值，即可得到位時間。

2.5 采樣點測試

采樣點是接收節(jié)點判斷邏輯電平的位置。在多個CAN節(jié)點組網(wǎng)時，各節(jié)點的采樣點應(yīng)盡量保持一致，若任意一個節(jié)點的采樣點出現(xiàn)較大偏差時，可能會導(dǎo)致同樣的采樣頻率出現(xiàn)采樣錯誤，從而出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障。發(fā)送一個位所經(jīng)歷的時間，依據(jù)晶振頻率的不同，被劃分為多個相等數(shù)量的時間份額Tq，數(shù)量通常為8～25之間。測試過程中，選定 DUT發(fā)送報文的某一位，使用CANstress依次從此位末端往前、分別逐一對其Tq對應(yīng)的電平進行干擾，使其調(diào)整為翻轉(zhuǎn)電平，當干擾至采樣點所在的Tq時，CAN網(wǎng)絡(luò)將錯誤幀，此Tq在一個位時間的位置所占百分比即為采樣點，通常要求采樣點在75%～87.5%之間。如圖3所示，被測CAN節(jié)點的發(fā)送位時間因晶振頻率固有屬性分為16Tq，在對序號為13Tq的CAN電壓進行干擾時出現(xiàn)錯誤幀，經(jīng)計算可知其采樣點為13/16=81.25%。

2.6 終端電阻測試

CAN協(xié)議規(guī)定了CAN網(wǎng)段的電阻是60Ω，通常將終端電阻內(nèi)置于CAN總線兩個最遠端的CAN節(jié)點中（稱為終端節(jié)點），各為120Ω，并聯(lián)后即滿足總線電阻為60Ω的要求。對于非終端節(jié)點，通常要求其CAN_H與CAN_L之間的電阻大于13kΩ，以確保其不會拉低CAN總線的電阻。測試時，需要將DUT供電斷開，使用萬用表測量CAN_H與CAN_L之間的電阻，依據(jù)其是否為終端節(jié)點，判斷DUT的電阻是否滿足要求。

3 數(shù)據(jù)鏈路層測試

3.1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)測試

1939協(xié)議中對數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)作了明確定義，如幀起始位（SOF）、仲裁場（Arbitration Field）、控制場（Control Field）、數(shù)據(jù)場（Data Field）、CRC場、應(yīng)答場（Ack Field）、幀結(jié)束位（EOF）等，DUT應(yīng)正確發(fā)送。使用CAN示波器獲取CAN電壓波形監(jiān)測DUT發(fā)送CAN報文，將所有CAN報文的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)逐個位與1939協(xié)議進行逐一核對，確保數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)發(fā)送正確。

3.2 報文DLC測試

DUT系統(tǒng)通訊矩陣定義了DUT中所有報文的DLC，即數(shù)據(jù)長度，測試時，使用CAN測試工具監(jiān)測DUT發(fā)送報文，核對各報文DLC是否與系統(tǒng)通訊矩陣定義一致。

3.3 傳輸協(xié)議測試

單幀CAN報文的數(shù)據(jù)長度最大為8個字節(jié)，當需要傳輸?shù)膱笪臄?shù)據(jù)長度超過8個字節(jié)時，需要依據(jù)傳輸協(xié)議相關(guān)定義發(fā)送。發(fā)送節(jié)點、接收節(jié)點在經(jīng)過對數(shù)據(jù)的打包和重組后，即可得到原報文的數(shù)據(jù)內(nèi)容。目前，行業(yè)內(nèi)在傳輸協(xié)議上的應(yīng)用，主要采用TP.CM_BAM報文、TP.DT報文以全局廣播的方式發(fā)送。傳輸協(xié)議的測試主要涉及TP.CM_BAM報文幀格式、TP.DT報文幀格式、及全局廣播定時測試。測試時，依據(jù)DUT的故障觸發(fā)邏輯制造兩個以上的故障，如此DUT發(fā)送的DM1報文中包含兩個故障碼，數(shù)據(jù)長度將超過8個字節(jié)，DUT會通過TP.CM_BAM報文、TP.DT報文發(fā)送DM1故障碼，使用CAN測試工具監(jiān)測TP.CM_BAM報文、TP.DT報文，得到幀格式、定時參數(shù)，再確認是否滿足設(shè)計要求。

4 交互層測試

4.1 周期型報文測試

此項測試目的是為了確認DUT發(fā)送的Cycle類型報文發(fā)送周期是否穩(wěn)定。將DUT上電待網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，使用CAN測試工具持續(xù)監(jiān)測DUT發(fā)送的Cycle類型報文1min以上，計算出發(fā)送周期的平均值、最小值、最大值，通常要求發(fā)送周期偏差不超過±10%。

4.2 事件型報文測試

此項測試目的是為了確認DUT發(fā)送的Event類型報文重復(fù)發(fā)送次數(shù)、間隔時間是否符合要求。將DUT上電待網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，依據(jù)Event類型報文的發(fā)送邏輯觸發(fā)此類型報文的發(fā)送，使用CAN測試工具監(jiān)測DUT發(fā)送的事件型報文，通常要求此類型報文觸發(fā)后重復(fù)次數(shù)為3，間隔時間為50ms。

4.3 不同報文的延遲時間測試

為避免總線負載率的突變，要求同一CAN節(jié)點發(fā)送的不同報文有一定的時間間隔。使用CAN測試工具持續(xù)監(jiān)測DUT發(fā)送的所有報文1min以上，計算出不同報文之間的最小發(fā)送間隔時間，此間隔時間即為不同報文的延遲時間，通常要求大于2ms。

5 CAN網(wǎng)絡(luò)測試的未來發(fā)展趨勢

隨著整車電器功能的增加，電器架構(gòu)也越來越復(fù)雜，整車可靠性路試、售后反饋偶發(fā)嚴重低頻率問題也隨之增多，此類故障往往無規(guī)律可循，這對整車CAN網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。由此，傳統(tǒng)單個CAN節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)測試已無法滿足驗證需求。目前行業(yè)內(nèi)多家整車企業(yè)已引入CAN網(wǎng)絡(luò)集成測試機柜，將整車所有CAN節(jié)點按整車網(wǎng)絡(luò)拓撲搭載于此機柜，更好地模擬了整車的通訊環(huán)境，并且采用自動化測試，能更有效地發(fā)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)在穩(wěn)定性、可靠性方面的問題，CAN網(wǎng)絡(luò)集成測試機柜將成為零部件CAN網(wǎng)絡(luò)測試、整車網(wǎng)絡(luò)測試的有效補充。

6 結(jié)束語

CAN網(wǎng)絡(luò)各項指標的符合性、穩(wěn)定性是汽車電器功能可靠實現(xiàn)的基礎(chǔ)，整車廠、各級供應(yīng)商均應(yīng)對CAN網(wǎng)絡(luò)測試引起足夠重視。尤其是整車廠，加大測試設(shè)備投資、完善測試體系、提高測試技術(shù)、引入技術(shù)型人才，全方位提升CAN網(wǎng)絡(luò)測試水平，對汽車產(chǎn)品綜合競爭力的提升具有重要意義。

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