CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )測試研究

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已成為當今工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)，是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。1991年9月，Philips Semiconductors公司制訂并發(fā)布了CAN技術(shù)規范(V2.0)，該規范包括A、B兩部分。此后，1993年11月，ISO正式頒布了道路交通運載工具——數字信息交換——高速通信控制器局域網(wǎng)(CAN)國際標準ISO 11898。CAN是一種多主從方式的串行數據通信總線(xiàn)，傳輸速率高，抗電磁干擾性強，能檢測通信錯誤。作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的網(wǎng)絡(luò )通信控制方式已被廣泛應用到各個(gè)自動(dòng)化領(lǐng)域，如汽車(chē)工業(yè)、工程機械、航空工業(yè)，被公認為幾種最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一[1]。

CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統的開(kāi)發(fā)是在網(wǎng)絡(luò )協(xié)議定義的框架下，對總線(xiàn)涉及的多個(gè)節點(diǎn)設備之間的數據交換的過(guò)程進(jìn)行控制，涉及各個(gè)設備本身對數據交換的需求和響應，系統復雜，按照其功能可以劃分為：總體設計、節點(diǎn)設計和測試驗收?？傮w設計主要負責整個(gè)網(wǎng)絡(luò )功能定義，傳輸協(xié)議的設計、仿真，系統節點(diǎn)模型的建立和仿真，提出各節點(diǎn)的功能描述，包括節點(diǎn)電氣特性和功能特性，并交付各節點(diǎn)設計人員實(shí)現；節點(diǎn)設計則根據提出的節點(diǎn)功能描述進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設備的開(kāi)發(fā)，包括硬件設計和軟件開(kāi)發(fā)，并協(xié)助其他開(kāi)發(fā)人員完成對本節點(diǎn)設備的調試和測試。測試驗收根據網(wǎng)絡(luò )功能定義描述，制定網(wǎng)絡(luò )功能測試流程，建立網(wǎng)絡(luò )測試平臺，對各節點(diǎn)進(jìn)行測試驗收和全網(wǎng)絡(luò )系統平臺實(shí)驗。

統一的開(kāi)放式平臺使得CAN網(wǎng)絡(luò )設計人員和其他開(kāi)發(fā)人員（如軟件工程師，測試工程師等）共享成果，減少了重復工作，加快了開(kāi)發(fā)進(jìn)度。此外，在節點(diǎn)設計之前，對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議和各節點(diǎn)功能進(jìn)行全網(wǎng)絡(luò )仿真，可以在設計的最初階段發(fā)現和糾正設計中的錯誤或者疏漏；在硬件平臺搭建之前進(jìn)行功能仿真，減少了節點(diǎn)設備開(kāi)發(fā)階段由于軟件設計缺陷帶來(lái)的時(shí)間和資源的浪費；軟件仿真階段的成果可以直接用于對節點(diǎn)設備的測試檢查。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統實(shí)體構建完成前，通過(guò)CAN總線(xiàn)接口設備和殘余總線(xiàn)技術(shù)，對已經(jīng)實(shí)現的節點(diǎn)進(jìn)行實(shí)物仿真。

1 CAN總線(xiàn)節點(diǎn)組成和功能

CAN總線(xiàn)節點(diǎn)位于傳感器和執行機構所在的工業(yè)現場(chǎng)，完成現場(chǎng)數據采集、控制和通信功能。典型CAN節點(diǎn)一般包括總線(xiàn)收發(fā)器和協(xié)議控制器、主控制器，以及傳感器和執行器，如圖1所示。CAN協(xié)議通信由總線(xiàn)收發(fā)器和總線(xiàn)控制器完成，協(xié)議控制器完成CAN協(xié)議數據鏈路層（MAC）的報文分幀、仲裁應答、錯誤檢測和標定，以及邏輯鏈路控制子層（LLC）的報文過(guò)濾、過(guò)載通知、恢復管理等具體服務(wù)；總線(xiàn)收發(fā)器完成CAN協(xié)議物理層功能，是CAN控制器和物理傳輸線(xiàn)路之間的接口。許多CAN節點(diǎn)采用了總線(xiàn)收發(fā)器（PCA82C250）、協(xié)議控制器（SJA1000）和主控制器（51系列單片機）方案，也有不少節點(diǎn)采用了內嵌協(xié)議控制器的微處理器（P8XC592/ARM）和數字信號處理器（TMS320F2407F）方案。

2 CAN總線(xiàn)測試平臺的組成

本文采用了Vector公司出品的CAN總線(xiàn)開(kāi)發(fā)測試集成環(huán)境和工具構建了開(kāi)放式開(kāi)發(fā)測試平臺，對由3個(gè)節點(diǎn)組成的CAN總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行測試，優(yōu)化總線(xiàn)參數，提高了CAN通信抗干擾能力。CAN總線(xiàn)測試網(wǎng)絡(luò )由執行機構節點(diǎn)、遠程傳輸節點(diǎn)、狀態(tài)監測節點(diǎn)組成。執行機構節點(diǎn)控制器采用TMS320F2407（內嵌CAN控制器），驅動(dòng)執行機構完成相應功能，發(fā)送電機轉角編碼和瞬時(shí)轉矩電流信息報文；遠程傳輸節點(diǎn)是一個(gè)CAN/GPRS的網(wǎng)關(guān)，功能是將報文信息轉發(fā)至遠程節點(diǎn)。狀態(tài)監測節點(diǎn)則是一個(gè)基于PC和虛擬儀器（LabVIEW）的操作面板，轉換并顯示報文的物理量信息，同時(shí)控制執行機構的運行。

CAN總線(xiàn)測試環(huán)境和工具包括總線(xiàn)記錄儀、總線(xiàn)干擾儀和開(kāi)發(fā)測試仿真環(huán)境[2-4]?？偩€(xiàn)記錄儀和總線(xiàn)干擾儀作為節點(diǎn)接入測試總線(xiàn)，如圖2所示。其中總線(xiàn)記錄儀（Vector CANcaseXL）接收、錄制、存儲和評估不同的CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )信號和報文，記錄其工作狀態(tài)和故障情況，便于在隨后的回放中分析故障原因，提出優(yōu)化改進(jìn)的方法和措施；總線(xiàn)干擾儀（Vector CANStressDR）生成總線(xiàn)信號、總線(xiàn)物理屬性和邏輯電位的各種干擾，在實(shí)驗室環(huán)境下模擬實(shí)際工況中可能出現的斷路、短路，模擬不同長(cháng)度的傳輸電纜，也可對報文特定位進(jìn)行干擾以檢查總線(xiàn)的抗干擾能力；開(kāi)發(fā)測試仿真環(huán)境（Vector CANoe）集成了總線(xiàn)開(kāi)發(fā)和測試，通過(guò)定義報文數據庫，觀(guān)測報文數據并換算為相應的物理量顯示。通過(guò)仿真總線(xiàn)和實(shí)際總線(xiàn)的切換，不僅可以測試現場(chǎng)信號，還可對錄制的信號進(jìn)行回放分析，分析查找故障原因。

3 CAN總線(xiàn)位定時(shí)參數的計算

在CAN通信協(xié)議中，波特率、每個(gè)位周期的采樣位置和個(gè)數都可以自行設定，CAN總線(xiàn)上不同節點(diǎn)之間通過(guò)約定的通信速率進(jìn)行通信，通過(guò)調整位定時(shí)參數可以?xún)?yōu)化網(wǎng)絡(luò )通信性能，例如，位周期內的采樣位置偏后，能容忍較大的信號傳輸延遲，即總線(xiàn)傳輸距離可以延長(cháng)；取樣位置接近中間，則可以容忍CAN總線(xiàn)上節點(diǎn)間參考時(shí)鐘的誤差，顯然兩者是矛盾的，為了協(xié)調這種矛盾，必須對位定時(shí)參數進(jìn)行優(yōu)化設置。常用的通信速率有100 kb/s、125 kb/s、250 kb/s、500 kb/s和1 Mb/s等，對于常用的波特率，在一些CAN總線(xiàn)通信測試軟件中可以通過(guò)列表框進(jìn)行選擇，對一些特殊的波特率，如本實(shí)測網(wǎng)絡(luò )采用了66.7 kb/s的通信速率，又或雖然是常用的波特率，但出于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )通信性能的需要，選擇特定的位定時(shí)參數時(shí)，就要計算并通過(guò)總線(xiàn)時(shí)序寄存器設置位定時(shí)參數。
總線(xiàn)時(shí)序寄存器BTR0和BTR1定義如表1、表2所示。

位定時(shí)參數按式(1)計算[5-6]：

4 CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )測試

首先利用開(kāi)發(fā)測試仿真環(huán)境（CANoe）定義CAN總線(xiàn)測試網(wǎng)絡(luò )，如圖3所示，其中Door Controller表示執行機構節點(diǎn)，Performance Meter代表狀態(tài)監測節點(diǎn)，Remote Gateway代表遠程傳輸節點(diǎn)；系統則自動(dòng)生成Basic CAN代表總線(xiàn)，以及Bus Scope總線(xiàn)記錄儀和Replay Block總線(xiàn)回放“虛擬”節點(diǎn)。采用CANcaseXL記錄運轉過(guò)程中總線(xiàn)上的報文信息和總線(xiàn)負載，并在CANoe環(huán)境下進(jìn)行回放、分析，如圖4所示。

CAN總線(xiàn)在不同的應用場(chǎng)合，其總線(xiàn)長(cháng)度、總線(xiàn)負載、終端電阻、環(huán)境各不相同，導致無(wú)法針對實(shí)際工況進(jìn)行優(yōu)化，提高數據通信的可靠性。利用本文所述的測試工具和平臺，可以對現場(chǎng)工況進(jìn)行記錄回放，或在實(shí)驗室進(jìn)行模擬測試，幫助開(kāi)發(fā)人員和測試人員盡可能準確地定位故障，從而提高開(kāi)發(fā)的效率。本文的模擬測試結果表明，電氣和參數對CAN總線(xiàn)上通信性能影響較大，通過(guò)測試工具模擬發(fā)現，終端電阻對提高通信質(zhì)量，降低報文差錯影響較大。通過(guò)測試工具分別模擬了CAN總線(xiàn)短路、75 Ω、120 Ω、開(kāi)路等終端電阻，通信過(guò)程中正確幀和錯誤幀速率測試數據如表3所示，可以看出終端電阻為120 Ω時(shí)通信差錯率最小。

參考文獻

[1] 鄔寬明.CAN總線(xiàn)原理和應用系統設計[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,1996.

[2] Vector Informatic GmbH.CANoe User manual, Version 4.1[S].

[3] Vector Informatic GmbH.CANcaseXL/log, Version 3.0[S], User Manual.

[4] Vector Informatic GmbH. CANStress Manual, Version 2.1[S].

[5] PHILIPS.Determination of bit timing parameters for the CAN Controller SJA1000[S], 1997.

[6] 吳永.CAN總線(xiàn)位定時(shí)參數的確定[J].單片機與嵌入式系統應用，2003(10)：19-22.