CAN總線系統(tǒng)測試技術(shù)簡介

【摘 要】 CAN總線作為現(xiàn)場總線的一種，在汽車、船舶、航天、工業(yè)測控與工業(yè)自動化等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。CAN總線開發(fā)流程中，需要對所開發(fā)的CAN總線系統(tǒng)進行節(jié)點以及總線系統(tǒng)的驗證與確認，本文主要介紹了網(wǎng)絡(luò)測試驗證的內(nèi)容，實現(xiàn)測試的工具與測試技術(shù)。
【關(guān)鍵字】 CAN總線 網(wǎng)絡(luò)測試 驗證 確認

CAN Bus Testing Technology
Wu Yanan
(Beijing Jingwei Hirain Technology Ltd. Beijing 100107)

Abstract: As one kind of fieldbus, the CAN bus is widely used in Automobile, Ship, Aerospace, industrial controlling and automatization. During the development processes of CAN bus, the verification and validation are the important steps for the CAN bus system. The testing specification is discussed here, and the testing tools and testing technology are introduced.
Keywords: CAN(Controller Area Networks) Testing Verification Validation


引 言[1].[2]

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車上所用的電控單元不斷增多，電控單元之間信息交換的需求促進了車用總線技術(shù)的發(fā)展。CAN總線即控制器局域網(wǎng)總線，由Bosch公司于1981年制定，主要目的為用作汽車的高速動力總線、中速車身總線等。由于CAN總線具有可靠性高、實時性好、成本合理等優(yōu)點，逐漸被廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域中，例如船舶、航天、工業(yè)測控、工業(yè)自動化、電力系統(tǒng)、樓宇監(jiān)控等，成為了廣泛使用的現(xiàn)場總線之一?；贑AN總線協(xié)議，還發(fā)展出CANopen、J1939、DeviceNet等多種上層總線協(xié)議。

CAN是一種開放式多主站線性結(jié)構(gòu)的總線，使用雙絞線作為連接介質(zhì)連接所有節(jié)點,最高傳輸速率為1Mbit/s。CAN總線使用載波偵聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)技術(shù)這種非破壞性的總線仲裁方式，避免多個節(jié)點同時開始發(fā)送消息而造成總線沖突，保證優(yōu)先級高的報文能夠優(yōu)先發(fā)送而不需要額外的時間開銷。CAN協(xié)議不對節(jié)點進行地址規(guī)定，而是使用報文的標識符來指定報文的優(yōu)先級以及報文的內(nèi)容。同時，CAN總線協(xié)議提供了完善的錯誤檢測與錯誤處理機制，包括了CRC檢測、錯誤報文自動重發(fā)、錯誤狀態(tài)判斷、臨時錯誤自動恢復(fù)、永久錯誤自動錯誤節(jié)點等措施，從而很好的保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致性。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程

1 CAN總線開發(fā)流程[3]

隨著CAN總線技術(shù)應(yīng)用在國內(nèi)各個行業(yè)中廣泛使用，CAN總線開發(fā)流程及開發(fā)方法也日益成為關(guān)注的重點。目前，基于開發(fā)－驗證思想的V型開發(fā)流程被廣泛用于CAN總線的開發(fā)過程中，如圖1所示。

OEM廠商首先定義CAN總線系統(tǒng)需求，并進行系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計，然后由供應(yīng)商根據(jù)OEM廠商提出的需求，分析節(jié)點ECU的需求并進行節(jié)點設(shè)計，再進行軟硬件實現(xiàn)以及節(jié)點ECU集成，最后對ECU進行測試驗證。供應(yīng)商將所設(shè)計的節(jié)點ECU提供給OEM廠商，由OEM廠商進行CAN總線系統(tǒng)的集成，并對系統(tǒng)進行確認，才能形成最終的產(chǎn)品。

在V開發(fā)流程中，測試始終貫徹著整個開發(fā)流程，以在開發(fā)過程中能盡早的發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題。供應(yīng)商在節(jié)點ECU開發(fā)的最后階段，需要對所開發(fā)的ECU進行驗證，檢查所開發(fā)的產(chǎn)品是否符合所需的設(shè)計規(guī)范，即“是否正確的做了產(chǎn)品”。而OEM廠商在獲得供應(yīng)商提供的各個節(jié)點ECU后，進行系統(tǒng)集成，需要對CAN總線系統(tǒng)進行確認，檢查是否符合原始的需求，即“是否設(shè)計了正確的產(chǎn)品”。

因此，無論對于供應(yīng)商開發(fā)單節(jié)點ECU還是OEM廠商對整個系統(tǒng)進行集成，都需要對節(jié)點以及總線系統(tǒng)進行CAN總線測試，以完成驗證與確認的工作。

2 CAN總線測試

CAN總線測試內(nèi)容可以分為單節(jié)點測試和總線系統(tǒng)集成測試兩部分。在每個節(jié)點連接到CAN總線網(wǎng)絡(luò)之前都需要進行單節(jié)點測試，用以確定節(jié)點工作正確并且不會干擾總線的正常通訊?？偩€系統(tǒng)集成測試則是將各個節(jié)點都連接形成完整的CAN總線系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行測試以驗證系統(tǒng)運行的完整性及正確性、系統(tǒng)的通訊魯棒性、電器魯棒性以及系統(tǒng)的容錯自恢復(fù)功能等。

進行CAN總線測試過程，首先需要制定測試規(guī)范，然后根據(jù)該測試規(guī)范編寫測試案例，構(gòu)建測試環(huán)境，并進行測試實現(xiàn)，最終將測試所得的數(shù)據(jù)進行分析，形成測試報告。

2.1 CAN總線測試規(guī)范

由于CAN總線基本協(xié)議的靈活性，目前并沒有一個統(tǒng)一的完整覆蓋CAN總線各個通訊層次的測試規(guī)范，而作為CAN總線技術(shù)使用最廣泛的汽車行業(yè)，各個汽車廠商也只是自行定義其轎車CAN總線協(xié)議，并根據(jù)該協(xié)議制定各自的測試規(guī)范。

因此制定CAN總線的測試規(guī)范，必須從相關(guān)的設(shè)計需求和規(guī)范文檔中提取測試需求，這些文檔可以包括CAN協(xié)議、總線系統(tǒng)設(shè)計時所依據(jù)的標準或協(xié)議(例如ISO11898或J1939)、系統(tǒng)設(shè)計的需求、系統(tǒng)的診斷協(xié)議、以及其他行業(yè)性通訊規(guī)范。根據(jù)所提取的測試需要，將各個需求點對應(yīng)為測試案例組。

將每組測試案例組在各測試節(jié)點上的實施稱為測試案例。每個測試案例根據(jù)測試實現(xiàn)的過程，細分為一系列的測試步驟。對于每個測試案例，在測試結(jié)束時，都會存在一個測試結(jié)果，用以確定測試案例所對應(yīng)的節(jié)點是否通過該測試需求點的測試。每個測試案例中，除了包含測試步驟的內(nèi)容外，還包括了測試條件和測試環(huán)境兩部分內(nèi)容。測試條件是測試案例實施之前，被測單元所需要具備的條件，例如系統(tǒng)已經(jīng)處于正常通訊等。而測試環(huán)境則是測試過程中，需要提供給被測單元的外部環(huán)境，例如供電電壓、信號線的連接情況等。

2.2 CAN總線測試內(nèi)容

CAN總線測試內(nèi)容可以按照通訊層次劃分為物理層測試、數(shù)據(jù)鏈路層測試、應(yīng)用層測試等內(nèi)容。

物理層測試主要目的是驗證節(jié)點及系統(tǒng)在電路設(shè)計、物理電平特性等方面的性能，這是保證節(jié)點能夠正確連接入總線的基礎(chǔ)。測試主要包括了節(jié)點的電阻電容特性、節(jié)點差分電阻、總線終端電阻、CAN線上的物理電平特性等方面。

數(shù)據(jù)鏈路層測試則包括了位定時測試、采樣點測試、SJW測試等內(nèi)容，該測試內(nèi)容主要用以保證各個節(jié)點的通訊參數(shù)能夠保持一致性，所組成的網(wǎng)絡(luò)能夠正常有效的工作。

應(yīng)用層測試則包括了上層應(yīng)用層協(xié)議的測試、網(wǎng)絡(luò)管理功能的測試以及故障診斷測試等方面的內(nèi)容。其包括的內(nèi)容可以是：數(shù)據(jù)庫使用正確性測試、通訊周期準確性測試、節(jié)點休眠喚醒功能測試、網(wǎng)絡(luò)管理功能測試、網(wǎng)關(guān)測試、錯誤幀頻率測試、電壓影響測試、總線物理故障測試、節(jié)點故障自恢復(fù)能力測試、通訊失敗的故障診斷功能測試等內(nèi)容。由于CAN總線使用背景的不同，其應(yīng)用層的內(nèi)容也有很大差別，因此應(yīng)用層測試的內(nèi)容也存在較大差異，需要根據(jù)項目的設(shè)計需求以及設(shè)計文檔仔細制定應(yīng)用層測試的內(nèi)容。值得注意的是，對于CAN總線網(wǎng)絡(luò)測試，其應(yīng)用層測試一般不涉及功能測試的范圍，功能測試一般屬于ECU測試的范疇。

2.3 CAN總線測試方法

圖2所示為基于Vector公司提供的CAN總線測試工具所組建的CAN總線測試系統(tǒng)。

在系統(tǒng)中被測單元與模擬被測單元應(yīng)用背景的仿真器相連，通過仿真器可以模擬出被測單元在真實應(yīng)用中的運行環(huán)境。而被測系統(tǒng)的CAN線則通過CAN硬件接口連接到測試軟件CANoe上，CANoe還可通過IO接口電纜IOcab獲取被測單元的IO信號。

被測單元的供電則由供電系統(tǒng)提供給仿真器，再由仿真器提供給被測系統(tǒng)，與真實系統(tǒng)的供電模式相同。CANoe軟件可以通過其接口來控制供電系統(tǒng)，從而可以方便的改變被測單元的供電電壓，實現(xiàn)CAN總線測試環(huán)境。

測試過程中，使用Vector公司提供的干擾儀CANstress，以制造出測試所需的干擾信號以及總線故障等測試環(huán)境。而系統(tǒng)中所連接的網(wǎng)絡(luò)示波器CANscope可以在物理層測試中捕捉CAN總線的物理信號。

在測試過程中，Vector提供的測試軟件CANoe可以觀測總線通訊的報文以及信號，并檢測總線的錯誤幀、總線負載率等信息。另外，CANoe還提供了測試軟件包，能夠使用擴展的編程功能編寫測試流程,控制CANstresss、CANscope等工具，并支持XML編寫的測試腳本，實現(xiàn)自動化測試流程，將測試結(jié)果自動生成XML和HTML測試報告。

3 CAN網(wǎng)絡(luò)測試案例

根據(jù)上述的CAN網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)，進行了物理層的采樣點測試。測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 (a)所示為被測單元正常通訊情況下，使用CANscope捕捉到數(shù)據(jù)場第一個隱性位。使用CANstress將該位75%后干擾為顯性電平，使用CANscope捕捉總線報文，沒有出現(xiàn)錯誤幀，如圖3(b)所示。同樣條件下，將該位68.75%后的電平干擾為顯性位，使用CANscope捕捉總線報文，出現(xiàn)了錯誤幀，如圖3(c)所示。由此可以得出結(jié)論，被測單元的采樣率為75%。

(a)無干擾情況下的位電平

(b)干擾電平在75％后－無錯誤幀

(c)干擾電平在68.75%后－有錯誤幀

圖3 采樣點測試

圖4所示為應(yīng)用層測試中，CAN-H線與電源短路測試的測試結(jié)果。圖4(a)所示為使用CANstress將CAN-H線設(shè)置為與電源短路。圖4(b)所示為CANoe在該測試過程中總線的通訊情況，在被測條件下總線沒有出現(xiàn)錯誤幀。使用CANscope觀測，由于CAN-H與電源短路，CAN-H電平表現(xiàn)為恒高，而差分電平信號仍足夠保證CAN總線的正常通訊，因此沒有出現(xiàn)錯誤幀。

(a)CANstress設(shè)置CAN-H與電源斷路

(b)CANoe檢測網(wǎng)絡(luò)無錯誤幀

(c)CANscope觀測總線電平情況

圖4 CAN-H與電源斷路情況下的系統(tǒng)通訊測試

4 總結(jié)

隨著CAN總線在國內(nèi)應(yīng)用的日益廣泛，CAN總線測試技術(shù)將越發(fā)重要。CAN總線測試規(guī)范是CAN總線測試的核心，需要根據(jù)相關(guān)的CAN協(xié)議規(guī)范以及CAN總線設(shè)計需求進行制定。另外，在缺乏統(tǒng)一測試規(guī)范以及參考資料的條件下，還需要在CAN總線開發(fā)過程中積累經(jīng)驗，逐步制定并完善CAN總線的測試規(guī)范。國外先進的CAN總線設(shè)計及測試工具也可以促進CAN總線測試能力迅速形成。

參考文獻

[1] 鮑官軍, 等. CAN總線技術(shù)、系統(tǒng)實現(xiàn)及發(fā)展趨勢. 浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報. 2003(1)
[2] Bosch. CAN Specification V2.0. 1991
[3] Siegfried Beeh. Testing with CANoe. Vector Congress. 2004