CAN總線測試自動化研究

楊法松

引言

CAN 是 Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標準化的串行通信協議。在汽車產業中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統被開發了出來。由于這些系統之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數量也隨之增加。為適應“減少線束的數量”、“通過多個LAN，進行大量數據的高速通信”的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發出面向汽車的CAN 通信協議。此后，CAN 通過ISO11898 及ISO11519 進行了標準化，在歐洲已是汽車網絡的標準協議。

CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率最高可達1Mbps。

CAN總線通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢驗、優先級判別等項工作。

CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優點可使網絡內的節點個數在理論上不受限制，數據塊的標識符可由11位或29位二進制數組成，因此可以定義2或2個以上不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點同時接收到相同的數據，這一點在分布式控制系統中非常有用。數據段長度最多為8個字節，可滿足通常工業領域中控制命令、工作狀態及測試數據的一般要求。同時，8個字節不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業過程監控設備的互連，因此，越來越受到工業界的重視，并已公認為最有前途的現場總線之一。

1、CAN總線測試

1.1 CAN總線測試介紹

CAN總線信號實質上就是電平信號，電平信號的好壞決定著CAN總線信號的穩定性和抗干擾能力。因此針對CAN總線的物理層即電平信號特性進行測試；需要測試電平信號的顯隱性電平的電壓、電平信號上升下降的斜率、電平信號的位時間等進行測試。作為 CAN總線信號的發送和接收者電控單元也需要對其進行物理層的測試驗證。因為電控單元的一些內部特性決定他發出的信號的電平特性和抗干擾能力；所以要測試電控單元的終端電阻、電控單元的耐高低壓測試、CAN總線故障測試和抗發動機啟動電壓波動測試。

電控單元的功能實現，需要 CAN總線數據的交互；因此需要對 CAN總線信號傳輸的通信層和數據鏈路層進行測試。在通信層和數據鏈路層測試中，主要關注信號的采樣點測試、報文長度、報文周期、總線負載率和非預期幀接收的測試。這些測試可以保證電控單元數據發送和接收準確性。

1.2 CAN總線物理層測試

CAN總線物理層測試項如表1所示。

CANoe：用來模擬除DUT外其它節點發送和接收報文；記錄監測總線報文；對DUT進行ACK應答。

CAN示波器：具有CAN/LIN譯碼功能；CAN_H/CAN_L單通道輸入或者 CAN_H/CAN_L采用差分探頭差分輸入；KL15/IGN接入單通道輸入。

注：本文所提到示波器推薦采用 CANscope，也可采用外置示波器。

Powersupply：程控電源，通過PC可控模擬不同供電電壓。

表1

根據CAN總線物理層測試項的需求，測試連接圖如圖1：

R1R2：選配型終端電阻 120Ω。對于終端型 DUT，需選配R1或R2；對于非終端型DUT，需同時配置R1與R2。

測試評判標準如表2所示：

表2

1.3 CAN數據鏈路層和通信層測試

CAN數據鏈路層和通信層項如表3所示：

表3

根據CAN總線物理層測試項的需求，測試連接圖如圖2：

CANoe：用來模擬除DUT外其它節點發送和接收報文；記錄監測總線報文；對DUT進行ACK應答。

CAN Stress(DR)：模擬總線物理干擾。

CAN示波器：具有CAN/LIN譯碼功能；CAN_H/CAN_L單通道輸入或者 CAN_H/CAN_L采用差分探頭差分輸入；KL15/IGN接入單通道輸入。

Powersupply：程控電源，通過PC可控模擬不同供電電壓。

R1R2：選配型終端電阻 120Ω。對于終端型 DUT，需選配R1或R2；對于非終端型DUT，需同時配置R1與R2。

測試評判標準如表4所示：

表4

2、CAN總線測試自動化實現

2.1 CAN總線測試硬件組成

CAN總線測試自動化的實現，需要搭建自動化測試機柜；機柜設計包括機柜的結構布置設計和內部走線設計，具體設計需求如下：

機柜具有空氣開關，緊急制動開關等安全操控按鈕；

分層安裝電源控制模塊、顯示器、程控電源、高精度網絡示波器、CANstressDR、CAN-LIN外圍電路模擬模塊、抽屜、程控萬用表、工控機；

電源管理模塊

用于控制測試系統的整體供電，可以控制電源的通斷，同時具備短路保護和緊急制動功能。PDU電源模塊有防止突然斷電或短路等而損壞設備的自我保護能力；有獨立開關實現啟動和關閉。

電源管理模塊輸入為220V標準電壓，內部集成了12V電壓轉換模塊，直接給 CAN-LIN外圍電路模擬模塊供電，另再分出一路電源，給程控電源供電。

網絡測試系統內部電源走線設計的示意圖如如下：

程控電源

程控電源可以通過GPIB 接口與測試主機相連，由軟件程序直接控制其輸出，給被測節點供電和給測試臺架系統提供電源輸入，參數如下：

輸出電壓：0～80V；

輸出電流：0～100A；

尺寸為標準19寸/1U上架形式，無需設計面板和插箱；

電源輸出電壓可通過功能測試系統自動進行控制，也可手動實現電壓調節；

具備USB程控接口；

型號：Agilent6700B（基礎模塊）+N6752A（電壓模塊）

該型號程控電源的優勢為多模塊電源，最多支持4模塊輸出，且恒流源與電壓源之間可以任意切換，以實現11898-2中的測試項。程控電源示意如下圖所示：

電源控制原理示意圖如下圖所示：

高精網絡示波器

主要實現對 CAN信號輸出特性的精確捕捉、測量及分析，控制主機可通過示波器程控接口支持 CAN網絡的物理層測試。功能要求：

差分探頭，具有常規示波器的功能；

頻帶寬度：100MHZ；

采樣率：4GSa/S；

具備CAN/LIN信號采集分析能力；

可同時測量兩路不同速率的CAN信號；

測量時自動獲取波特率；

具備4個測量通道；

具備USB程控接口；

型號：Agilent MSO-X 3014A。

CANstress DR

CANstress DR主要實現對CAN網絡的物理屬性和邏輯電位進行干擾，將其直接串連到CAN 網絡中，通過CANoe編程實現各種觸發條件與干擾邏輯控制，包括：

線間短路，線/電源（地）短路，斷路；

位錯誤的模擬；

通過破壞 CAN報文特定的位域，對節點有目的施加干擾；

VN1640(CANoe)

VN1600產品系列是Vector公司最新CAN/LIN總線測試產品。其中本項目中使用的VN1640帶有4路CAN/LIN接口，且CAN/LIN接口可隨意配置。CANoe軟件具有以下實用測試功能：

支持 dbc/ldf等文件格式的網絡數據文件；

支持節點的仿真；

支持CAN、LIN 各類數據格式（如：.asc）的回放功能，在Configuration Setting界面中修改Animation Factor可以改變回放速度；

回放數據最大可達10G；

當存儲數據量大于2G時，CANoe會將此log文件另存；

支持回放快、慢的自由設置功能；

測試用例運行過程中，測試可暫停；在取消暫停功能后，測試能繼續運行；

接口面板

測試臺架線束與功能測試系統機柜的接口端子，覆蓋各被測ECU的I/O、總線以及電源引腳，不同ECU的線束通過不同的接口連接，方便靈活測試。

工控機

工控機用于運行軟件環境，開發和管理整個測試項目。工控機相關參數如下：

4U高度，能夠安裝于標準19寸機柜；

可鎖前門，防止未經許可的訪問；

雙核2.8G/內存2G/硬盤500G；

具備至少8個USB2.0接口，1個COM接口以及TCP/IP接口、5個PIC接口；

針對以上技術要求，選用研華(Advantech) 4U 上架式機箱，如下圖10所示：

走線設計

機柜內部走線指機柜各層之間信號交聯。

對于機柜內部走線采用端子排和連接器配合導軌及線槽實現暗藏式走線，其示意圖如下：

自動測試板卡

測試插箱的內部為5塊控制板卡及1塊預留的16通道I/O板卡組成（均為Hirain根據11898協議要求研發，并已在其他項目中驗證應用），各個板卡的功能是采用NI-6509來實現的。控制板卡提供如下功能：

控制：控制板整體控制整個機柜的電源及控制信號，通過對繼電器矩陣的控制實現對3路CAN通道，2路LIN通道，實現 CANH(LIN)、CANL、GND、Power Supply 、 WakeUp Line等的控制；

故障注入：可實現CAN_H/CAN_L對Vbat/GND的短路，CAN_H對CAN_L斷路，CAN_H/CAN_L斷路等網絡故障注入功能；

預留IO輸入輸出控制端口：共12路可靈活配置的IO端口，例如：可靈活配置3.3V、5V、12V、24 V輸出；

數字萬用表

數字萬用表用于測試過程中測試電壓、電阻及電流等值。萬用表相關參數如下：

7.5 位分辨率可進行高靈敏度的 DCV 和電阻測量：100 pV 和 100 n

內置低噪聲雙通道掃描儀；

采用 SPRT 探頭進行溫度測量，精度高達 0.003 ℃；

數字萬用表示意圖如下所示：

2.2 CAN總線測試執行

根據硬件構成搭建的測試機柜如下圖15所示：

根據CAN總線測試需求，程控電源、CANoe、示波器、數字萬用表、CAN外圍板卡和CANStress有效的集成在測試機柜中。示波器用來測試監控電控單元電平信號的顯隱性電壓，電平信號跳變的上升下降斜率和信號位時間。程控電源用來控制電控單元的供電，可以實現高低壓通信的測試，并且配合CAN外圍板卡，實現CAN總線故障測試。數字萬用表用來測試電控單元的終端電阻。CANStress是總線干擾儀，實現對CAN總線的干擾busoff測試，并測試CAN總線的采樣點。CANoe是CAN總線的監測、仿真、測試工具；對總線報文時間周期、報文長度等測試；仿真總線報文對電控單元測試非預期幀和預期幀的反饋。

程控電源、示波器、數字萬用表、CAN外圍板卡和CANStress可以開放外圍調用程序；CANoe具有調用其他端口和設備的功能，在CANoe自帶的編程軟件CAPL中將這些設備的調用庫函數進行聲明；就可以進行調用。用 CAPL編寫測試評判標準，然后采集這些設備測試數據，進行測試驗證。

將程控電源、示波器、數字萬用表等設備的調用函數生成為CANoe識別的.cin文件，在測試主程序當中對設備庫函數進行聲明。函數聲明如圖16：

先將采集標志位清零，然后接收程控電源、示波器、數字萬用表等設備的測試數據。上升斜率數據采集如圖17：

將測試數據與評判標準進行對比，如果符合就輸出通過，并上傳通過數據；如果失敗就輸出錯誤，上傳錯誤數據；在測試報告中打印這些結果和測試數據；最后將測試數據和測試條件等標志位清空。上升斜率測試數據評判如圖18：

3、CAN總線測試自動化結果

3.1 物理層測試結果

將 CANoe CAPL軟件上傳的測試結果和測試數據添加到測試報告中，形成物理層測試報告。其中的一部分測試數據如表五，其中顯性電壓測試截圖如圖19：

表5

3.2 數據鏈路層和通信層測試結果

表6

數據鏈路層和通信層測試項主要通過 CANoe測試完成的，CANoe直接把采集到得數據記錄下來，并填寫到測試報告中。其中的一部分測試報告如表6。

4、結論

本論文通過對CAN總線的介紹，引入對CAN總線測試方法和測試標準的介紹。結合測試方法和用到的測試工具；本文詳細闡述了一種通過CANoe測試工具，對其他CAN總線測試工具的調用和管理，達到測試數據的采集和評判；實現 CAN總線物理層、數據鏈路層和通信層自動化測試的方法。

本文介紹的這種 CAN總線自動化測試方法，實現了總線測試的平臺化；大大節省了總線測試時間，縮短了總線開發周期；有效的推進了整車項目進度。

[1] 王立萍．CAN網絡在汽車控制方法的應用[J]．工業儀表與 自動化裝置，2009(5)：77—79．

[2] 梁銳．NI軟硬件平臺在汽車 ECU開發和測試中的應用[J]．世界 電子元器件，2007(12)：61—63．

[3] ISO 11898-1, Road vehicles - Controller area network (CAN) - Part 1: Data link layer and physical signaling.

[4] ISO 11898-2, Road vehicles - Controller area network(CAN) - Part 2:High-speed medium access unit.

[5] ISO 15765-1, Road vehicles - Diagnostics on Controller Area Networks (CAN) - Part 1: General information.