車(chē)載CAN總線在環(huán)測(cè)試技術(shù)研究

李 彤， 屈金標(biāo)， 岳 杰， 李 闖

(裝甲兵工程學(xué)院 信息工程系，北京 100072)

0 引言

當(dāng)前，在綜合電子系統(tǒng)中大量采用了 CAN[1-3]總線網(wǎng)絡(luò)，這對(duì)車(chē)載CAN總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性提出了很高的要求。然而針對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試還僅僅處于數(shù)據(jù)鏈路層測(cè)試階段，對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有進(jìn)行在環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

目前對(duì)單臺(tái)設(shè)備的測(cè)試是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的單一節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試參數(shù)有總線傳輸波形、總線電壓等。然而功能良好的單個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)設(shè)備接入到CAN總線網(wǎng)絡(luò)中不能保證該網(wǎng)絡(luò)具有應(yīng)用的通信質(zhì)量，甚至不能保證該網(wǎng)絡(luò)能夠正常通信，這是因?yàn)镃AN總線網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量不僅與總線節(jié)點(diǎn)設(shè)備完好有關(guān)，還與總線終端匹配電阻的阻值和終端匹配電阻的放置的位置有關(guān)。當(dāng)在一個(gè)CAN總線網(wǎng)絡(luò)中新加入了一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備后，其放置的位置會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)產(chǎn)生影響，若放置位置在終端匹配電阻后面還可能使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，而目前的測(cè)試手段由于僅僅是數(shù)據(jù)鏈路層的測(cè)試，沒(méi)有對(duì)總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)波形盡量測(cè)量，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)這種問(wèn)題。

總的來(lái)說(shuō)，目前基于數(shù)據(jù)鏈路層的CAN總線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試方法存在以下4點(diǎn)不足：①單臺(tái)設(shè)備測(cè)試難以保證接入系統(tǒng)后的性能； ②目前的總線測(cè)試手段沒(méi)有測(cè)量線路上傳輸?shù)男盘?hào)波形；③通過(guò)總線協(xié)議芯片獲得的總線數(shù)據(jù)幀不全面，會(huì)漏掉被芯片過(guò)濾掉的錯(cuò)誤幀和異常幀；④CAN總線傳輸網(wǎng)絡(luò)的“偶發(fā)”故障還沒(méi)有監(jiān)測(cè)手段。

針對(duì)上述缺點(diǎn)，本文參照在汽車(chē)開(kāi)發(fā)中采用的在環(huán)仿真技術(shù)，提出了車(chē)載CAN總線在環(huán)測(cè)試技術(shù)。

1 車(chē)載CAN總線在環(huán)測(cè)試技術(shù)

目前，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層測(cè)試CAN總線網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性技術(shù)已經(jīng)比較成熟，其核心是對(duì)幀格式的解析。但是在解析過(guò)程中，CAN接口芯片的錯(cuò)誤管理器會(huì)自動(dòng)過(guò)濾掉總線上的錯(cuò)誤幀和異常幀。所以，基于數(shù)據(jù)鏈路層的車(chē)載CAN總線測(cè)試技術(shù)不能全面的判斷網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性和節(jié)點(diǎn)故障情況。

因此，本文設(shè)計(jì)了基于物理層的車(chē)載CAN總線在環(huán)測(cè)試技術(shù)。

基于物理層的在環(huán)測(cè)試技術(shù)采用替代的方法不僅能夠完成總線網(wǎng)絡(luò)的性能測(cè)試，也能夠定位出現(xiàn)故障的節(jié)點(diǎn)和信號(hào)不強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)，其核心思想是“在環(huán)”和“替代”。 其測(cè)試內(nèi)容分為2個(gè)方面。

（1）總線網(wǎng)絡(luò)的性能測(cè)試

當(dāng)車(chē)內(nèi)正常通信時(shí)，首先保持總線節(jié)點(diǎn)設(shè)備的位置不動(dòng)，另外終端電阻的大小以及位置也不能改變，其次將CAN總線測(cè)試系統(tǒng)和示波器接入總線，進(jìn)而測(cè)試總線網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)，如總線電壓。

（2）故障定位

當(dāng)總線節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，非在環(huán)測(cè)試是不能檢測(cè)出故障節(jié)點(diǎn)的位置，而在環(huán)測(cè)試是可以實(shí)現(xiàn)故障定位。

方法是將總線中的一個(gè)原有節(jié)點(diǎn)之外的其他節(jié)點(diǎn)全部替換成測(cè)試節(jié)點(diǎn)仿真設(shè)備，再通過(guò)終端向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，若總線通信正常，則說(shuō)明替換下來(lái)的該原有節(jié)點(diǎn)不是故障節(jié)點(diǎn)模塊；否則，則說(shuō)明替換下來(lái)的原有節(jié)點(diǎn)是故障節(jié)點(diǎn)，測(cè)試模型如圖1所示，把其中的原有節(jié)點(diǎn)除待測(cè)節(jié)點(diǎn)外的其他節(jié)點(diǎn)全部換成測(cè)試節(jié)點(diǎn)仿真設(shè)備。

2 CAN總線在環(huán)測(cè)試仿真節(jié)電設(shè)備

為實(shí)現(xiàn)車(chē)載CAN總線的在環(huán)測(cè)試，需要的硬件設(shè)備除了基于物理層的總線測(cè)試系統(tǒng)，還有CAN總線的測(cè)試節(jié)點(diǎn)仿真設(shè)備。測(cè)試節(jié)點(diǎn)仿真設(shè)備的作用是替代車(chē)載CAN總線網(wǎng)絡(luò)的原有節(jié)點(diǎn)，用來(lái)測(cè)試總線網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)和定位出總線網(wǎng)絡(luò)的故障節(jié)點(diǎn)。下面介紹本文設(shè)計(jì)的基于 MCS-51的測(cè)試節(jié)點(diǎn)仿真設(shè)備。

該節(jié)點(diǎn)仿真設(shè)備的功能主要有2個(gè)：①將從CAN總線上接收的數(shù)據(jù)發(fā)回到總線上；②將CAN總線的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成USB格式的數(shù)據(jù)，通過(guò)USB接口上傳到PC機(jī)。

2為本節(jié)點(diǎn)模塊的功能圖，之后詳細(xì)介紹這 3個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)。

2.1 核心電路部分

如圖3所示，本模塊采用STC89C58作為主控芯片，采用SJA1000[4-7]作為CAN控制芯片，選用24C02型號(hào)的E2PROM作為存儲(chǔ)設(shè)備。

SJA1000是一種獨(dú)立的 CAN控制器，它通過(guò)并口與單片機(jī)通信，主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。SJA1000是本模塊的 CAN控制芯片，與STC89C58一起組成了本模塊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換核心部分。

E2PROM和單片機(jī)通過(guò)I2C總線通信，即24C02的5、6引腳分別連接到單片機(jī)的3、5引腳，用來(lái)存儲(chǔ)配置到SJA1000中的CAN參數(shù)，單片機(jī)斷電后，這些參數(shù)不會(huì)丟失，繼續(xù)保存在E2PROM中，以后上電，單片機(jī)直接從E2PROM中讀取SJA1000控制器的控制參數(shù)。

注意：圖3中“K”表示千歐，這在圖4、圖5中表示相同意思，之后不再贅述。

2.2 CAN總線數(shù)據(jù)隔離收發(fā)電路

CAN總線數(shù)據(jù)隔離收發(fā)電路是由 CAN收發(fā)器TJA1050、高速光電隔離器 6N137和隔離電源模塊B0505S組成。其中，TJA1050從總線上接收CAN差分信號(hào)，并將之轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流格式送到CAN控制器SJA1000中，SJA1000將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并口數(shù)據(jù)送入單片機(jī)89C58中處理。當(dāng)CPU需要向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TJA1050將數(shù)據(jù)流傳換成 CAN差分信號(hào)的格式發(fā)送到 CAN總線上。6N137作為高速光電隔離器，實(shí)現(xiàn)CAN總線收發(fā)與總線的完全電氣隔離。具體設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

2.3 與上位機(jī)通訊模塊

在設(shè)計(jì)的在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)仿真設(shè)備接收到CAN總線上的數(shù)據(jù)要做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。為測(cè)試方便，節(jié)點(diǎn)仿真模塊對(duì)于CAN總線上接收的數(shù)據(jù)有兩種處理方法：①將接收的總線數(shù)據(jù)重新發(fā)回到 CAN總線上，可以用來(lái)測(cè)試總線傳輸延遲；②將接收到的CAN總線數(shù)據(jù)通過(guò)USB口發(fā)送給上位機(jī)[8]，通過(guò)上位機(jī)軟件將接收到的數(shù)據(jù)以CAN總線幀的形式顯示出來(lái)。 USB接口是下位機(jī)與上位機(jī)通訊的窗口，一個(gè)合理的USB通訊電路才能完成與下位機(jī)流暢的通信。設(shè)計(jì)如圖5。

CH372內(nèi)置了 USB通信中的底層協(xié)議，具有內(nèi)置固件模式和外置固件模式。在內(nèi)置固件模式下，CH372自動(dòng)處理默認(rèn)端點(diǎn) 0的所有事務(wù)，完成標(biāo)準(zhǔn)的USB枚舉配置過(guò)程，而本地單片機(jī)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換。在外置固件模式下，由外部單片機(jī)或DSP根據(jù)需要自行處理各種USB請(qǐng)求，從而實(shí)現(xiàn)符合各種USB類(lèi)規(guī)范的設(shè)備。這里，節(jié)點(diǎn)模塊選用內(nèi)置固件模式進(jìn)行通信。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898，CAN總線具有兩種邏輯電平，顯性和隱性。在總線共模的條件下，CAN_H波形的顯性電壓典型值和隱性電壓典型值分別為3.5 V和2.5 V，CAN_L波形的顯性電壓典型值和隱性電壓典型值分別為1.5 V和2.5 V，如圖6所示（上面一條線表示CAN_H,下面一條線表示CAN_L）。

測(cè)試模型如圖 1，將示波器和總線測(cè)試系統(tǒng)接入CAN總線網(wǎng)絡(luò)（此時(shí)，總線上沒(méi)有接入測(cè)試節(jié)點(diǎn)仿真設(shè)備），測(cè)得波形如圖7。由圖可以看出，總線上傳輸?shù)腃AN_H和CAN_L信號(hào)各有2種（上面2條為CAN_H,下面2條為CAN_L),其中，CAN_H1信號(hào)的顯性平均電壓是4 V，CAN_H2信號(hào)的顯性平均電壓是3.5 V，CAN_L3信號(hào)的顯性平均電壓是1.45 V，CAN_L4信號(hào)的顯性平均電壓是1.2 V。此時(shí)，總線上傳輸?shù)腃AN_H1信號(hào)和CAN_L4信號(hào)的顯性平均電壓與典型值不符，是異常信號(hào)，因此CAN總線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了故障。

為了確定是總線中的一段線路出現(xiàn)故障還是終端匹配電阻沒(méi)有完全匹配，亦或是總線節(jié)點(diǎn)中出現(xiàn)了故障節(jié)點(diǎn)，把總線上所有節(jié)點(diǎn)全部換成測(cè)試節(jié)點(diǎn)仿真模塊，測(cè)得波形如圖 8。由圖所示，總線波形與圖6基本一致，這說(shuō)明總線網(wǎng)絡(luò)性能良好，終端匹配電阻也基本符合理論要求。

為了定位故障節(jié)點(diǎn)設(shè)備，把原有節(jié)點(diǎn)1替換回原來(lái)的位置，測(cè)得波形如圖 9。由圖所示，總線波形與圖6基本一致，這說(shuō)明原有節(jié)點(diǎn)1不是故障節(jié)點(diǎn)。進(jìn)而把原有節(jié)點(diǎn)2換回原來(lái)的位置，原有節(jié)點(diǎn)1換成測(cè)試節(jié)點(diǎn)仿真模塊，測(cè)得波形如圖10。由圖所示，總線波形與圖7基本一致，這說(shuō)明原有節(jié)點(diǎn)2為故障節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了基于物理層的車(chē)載CAN總線在環(huán)測(cè)試技術(shù)，并利用“替代法”和測(cè)試節(jié)點(diǎn)仿真模塊快速地定位出故障節(jié)點(diǎn)設(shè)備，驗(yàn)證了該方法的可行性，解決了車(chē)載電子系統(tǒng)故障節(jié)點(diǎn)定位難的課題，為今后的車(chē)輛維修保障提供了方法和技術(shù)支持。

[1] 李光忠,吳士濤.基于CAN總線智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009(26):64-65.

[2] 陳亦駿,姚曉東.CAN總線共享時(shí)鐘調(diào)度算法的應(yīng)用與改進(jìn)[J].通信技術(shù)，2009,42(04):76-78.

[3] 蔡連君.基于 CAN總線的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].通信技術(shù),2009,42(10): 150-152.

[4] 謝勤嵐,曹匯敏.USB與CAN總線轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2009,17(09):1843-1845.

[5] 侯明,杜奕.基于CAN總線的接口電路設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2008,41(07):138-140.

[6] 陳昕靜,易健雄,彭力.基于 DSP的實(shí)時(shí)監(jiān)控和 SJA1000控制器實(shí)現(xiàn) CAN總線接口[C].中國(guó):[s.n.], 2007:1105-1108.

[7] 陳萍,蔣秀杰.基于FPGA的CAN總線通信系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2009,17(12):2482-2484.

[8] 劉振永,程鑫.基于CAN總線的汽車(chē)點(diǎn)火測(cè)試系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器, 2007(12):54-56.