車(chē)用CAN總線(xiàn)測試平臺的研發(fā)與應用

引言

隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展及對汽車(chē)性能要求的不斷提高,汽車(chē)上的電子裝置越來(lái)越多。一輛用傳統布線(xiàn)方法設計的高檔車(chē)中,其電線(xiàn)的長(cháng)度可達2km ,電氣節點(diǎn)數可能高達1500 個(gè),并且保持大約每10 年增長(cháng)1 倍的發(fā)展速度。在這種狀況下,粗大的線(xiàn)束與汽車(chē)中有限的可用空間之間的矛盾越來(lái)越尖銳,而且也成為汽車(chē)輕量化和進(jìn)一步電子化的最大障礙。計算機網(wǎng)絡(luò )化的發(fā)展為解決此問(wèn)題提供了可能。

各大汽車(chē)廠(chǎng)商從上世紀70 年代末就開(kāi)始進(jìn)行車(chē)用網(wǎng)絡(luò )的研究,車(chē)用網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的標準化研究也在國外迅速地發(fā)展起來(lái)。到90 年代初,協(xié)議的研發(fā)到了相對成熟的階段,由于車(chē)用電氣的種類(lèi)繁多,對網(wǎng)絡(luò )的傳輸速度和成本要求差異較大,因此呈現出多元化的趨勢。這些車(chē)用協(xié)議中較為突出的是BOSCH公司于20 世紀80 年代初提出的CAN(Controller Area Network) 。還有一些適合不同傳輸速率等級及特殊用途的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議,如低速的LIN、中高速的SAE J1939、用于診斷的KWP2000、用于X-by-wire的TTP、多媒體應用中的MOST 等協(xié)議。

電動(dòng)汽車(chē)是為解決燃油危機和環(huán)境污染問(wèn)題孕育而生的。與傳統汽車(chē)相比,它的電子裝置更多而且相互間的關(guān)聯(lián)性更強,因此數據通信更為重要。各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)中的控制系統實(shí)時(shí)采集反映整車(chē)和零部件的運行狀態(tài)以及駕駛員意愿的參數,并發(fā)送相關(guān)運行指令。這些功能的實(shí)現都對ECU 之間的通信提出了很高的要求,并直接影響了車(chē)輛的運行性能和安全性。

我國傳統車(chē)用網(wǎng)絡(luò )、總線(xiàn)、通訊協(xié)議的研究起步較晚,基礎相當薄弱,目前在國家“十五”863 計劃的支持下,CAN 總線(xiàn)在各電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)中得到廣泛應用。在自主研發(fā)電動(dòng)汽車(chē)的過(guò)程中,充分借鑒、吸收國外的經(jīng)驗,制定出電動(dòng)汽車(chē)用網(wǎng)絡(luò )、總線(xiàn)、通信協(xié)議,可更快地提升我國在此方面的技術(shù)水平。

車(chē)輛系統網(wǎng)絡(luò )的研制需事先搭建仿真系統來(lái)模擬網(wǎng)絡(luò ),調整和改進(jìn)設計。網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的制定和實(shí)施,必須對其核心的性能指標通過(guò)仿真或實(shí)際測試進(jìn)行評價(jià),這樣才能保證在實(shí)際應用中網(wǎng)絡(luò )正常工作和滿(mǎn)足系統的要求。這一過(guò)程對于網(wǎng)絡(luò )上的各個(gè)ECU節點(diǎn)而言都是需要進(jìn)行的。車(chē)用CAN 總線(xiàn)測試臺就是在國家“十五”863 計劃電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項支持下研發(fā)的,通過(guò)公共平臺的建設,可以對車(chē)用總線(xiàn)協(xié)議進(jìn)行仿真測試,對整車(chē)系統網(wǎng)絡(luò )的性能進(jìn)行評估,并可以對關(guān)鍵零部件的通訊性能進(jìn)行測試與評估。

現有CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )分析評價(jià)方法評述

目前,對CAN 總線(xiàn)的分析評價(jià)方法主要有數學(xué)建模、網(wǎng)絡(luò )一致性分析及直接測試分析。其中數學(xué)建模通常用于網(wǎng)絡(luò )系統開(kāi)發(fā)初期和開(kāi)發(fā)過(guò)程中,它是對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行規劃。而一致性測試及直接測試分析主要是在開(kāi)發(fā)后期,網(wǎng)絡(luò )投入使用后進(jìn)行,用來(lái)對網(wǎng)絡(luò )性能進(jìn)行真實(shí)的評價(jià)。

數學(xué)建模法是建立系統的數學(xué)模型,用演繹推理求解,該模型用數學(xué)形式表示系統的特性和行為,并利用計算機協(xié)助運算,來(lái)分析網(wǎng)絡(luò )的性能。根據網(wǎng)絡(luò )的不同結構,作一些合理的近似和假設,建立一些粗略的關(guān)系表達式,來(lái)表示各個(gè)參量之間的關(guān)
系。

網(wǎng)絡(luò )一致性測試就是測試一個(gè)應用裝置是否兼容一個(gè)給定的規范或協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò )協(xié)議制定完成之后,各開(kāi)發(fā)單位就會(huì )根據協(xié)議各自對組件進(jìn)行獨立的開(kāi)發(fā),當不同組件構成網(wǎng)絡(luò )時(shí),不同開(kāi)發(fā)單位的組件可能不能正常地通信。一致性測試就是測試不同廠(chǎng)商生產(chǎn)上的組件是否能正常地通信,通過(guò)經(jīng)驗選擇進(jìn)行有限數量的獨立實(shí)驗來(lái)完成。一致性測試工具順序化、結構化地對一致性測試協(xié)議中描述的內容進(jìn)行測試,測試內容可以按實(shí)時(shí)性的要求級別進(jìn)行分類(lèi)。在汽車(chē)的應用上,有些測試已經(jīng)成為國際標準,例如ISO 16845 描述了CAN 的一致性測試。

直接測試分析,是在真實(shí)CAN 總線(xiàn)上借助測試設備進(jìn)行系統性能評估。評價(jià)總線(xiàn)系統核心性能的主要指標有:總線(xiàn)的傳輸速率;總線(xiàn)吞吐量;總線(xiàn)利用率;消息的傳輸延時(shí)時(shí)間;節點(diǎn)ECU 的通訊負載;總線(xiàn)的EMC 特性。

CAN 分析工具多種多樣, 從最低端的RS232CAN 分析儀到Vector 公司的一系列CAN 測試及仿真設備,都可以對CAN 網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行測試。它們的主要特點(diǎn)是分析總線(xiàn)上運行的數據。

以上三種評價(jià)方法都具有不同的特點(diǎn),各自又有一定的局限性。模型仿真與具體實(shí)施存在較大的差距,這種差距有可能使仿真結果無(wú)法具體物理實(shí)現。利用具有嚴格時(shí)間規則的計算機軟件仿真節點(diǎn)來(lái)代替總線(xiàn)上存在的無(wú)序消息的真實(shí)節點(diǎn)進(jìn)行的部分仿真,其局限性是顯然的。目前已有的網(wǎng)絡(luò )測試產(chǎn)品僅限于對總線(xiàn)上運行的數據進(jìn)行分析,與具體系統的關(guān)聯(lián)性不大。

CAN 總線(xiàn)實(shí)時(shí)仿真測試平臺的研發(fā)與應用

目前已有的測試工具不能方便地對一個(gè)分布式實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò )的CAN 通訊進(jìn)行全方位的評價(jià)。為此,我們提出了網(wǎng)絡(luò )在環(huán)的設計思想,開(kāi)發(fā)了CAN總線(xiàn)實(shí)時(shí)仿真測試系統。整個(gè)系統在自己研發(fā)平臺的基礎上,運用國外已有的先進(jìn)總線(xiàn)測試工具的產(chǎn)品,可對CAN 總線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )性能、單個(gè)ECU 通訊功能進(jìn)行分析、測試及評價(jià)。