聯(lián)合仿真模型的汽車網(wǎng)關(guān)自動化測試系統(tǒng)設(shè)計

李璐 張明路 劉歡 張改萍 張小俊

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300000）

主題詞：汽車網(wǎng)關(guān) 自動化測試 仿真模型

1 前言

隨著消費者對汽車的動力性、經(jīng)濟性、舒適性和安全性的要求越來越高[1-2]，導(dǎo)致汽車中的控制模塊逐漸增多，控制的復(fù)雜性也不斷提高，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增大，使得各模塊的信息交換更加密集。網(wǎng)關(guān)模塊作為不同CAN網(wǎng)段之間的交互通道，是保證整車正常運行的關(guān)鍵，因此必須對其通信行為進行測試和驗證。

傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)測試多為手動測試，隨著傳感器數(shù)量的增多，手動測試系統(tǒng)因連線困難[3]，且測試時間長、誤差大，已不能滿足網(wǎng)關(guān)的測試需求。基于此，設(shè)計了一種網(wǎng)關(guān)自動化測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)采用仿真模型（Simulation Model）模擬被測樣件（DUT）所在網(wǎng)段的報文發(fā)送，可以最大限度地還原實車狀態(tài)，使得測試結(jié)果更準(zhǔn)確可靠，實時性更好。

2 網(wǎng)關(guān)自動化測試系統(tǒng)組成及工作原理

網(wǎng)關(guān)自動化測試系統(tǒng)由測試平臺軟件CANoe和基于Labview軟件開發(fā)的測試管理系統(tǒng)組成。系統(tǒng)軟件邏輯架構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動測試系統(tǒng)軟件邏輯架構(gòu)

測試平臺軟件CANoe具有分布式系統(tǒng)設(shè)計、仿真、測試、評估等功能，且其自帶的數(shù)據(jù)管理工具CANdb++可創(chuàng)建和修改數(shù)據(jù)庫[4-5]，其建模語言CAPL用于編寫測試腳本和Simulation Model。

測試管理系統(tǒng)具有控制程控電源等硬件的程控接口[5-8]，用于人員管理測試、任務(wù)配置測試、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、測試報告輸出等。

網(wǎng)關(guān)自動化測試系統(tǒng)主要針對網(wǎng)關(guān)模塊（GW）的測試開發(fā)，典型網(wǎng)關(guān)模塊GW一般包含動力網(wǎng)段PCAN和車身網(wǎng)段BCAN，典型網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)[4-7]如圖2所示。網(wǎng)關(guān)測試的主要任務(wù)是檢測PCAN與BCAN之間的信息交換，即網(wǎng)關(guān)路由。網(wǎng)關(guān)路由類型可細(xì)分為報文路由和信號路由[6]。實際測試時，接入測試樣件網(wǎng)關(guān)，利用CAPL編寫的Simulation Model對全網(wǎng)段節(jié)點總線通信進行仿真，模擬網(wǎng)關(guān)實車網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境。

圖2 某廠家網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)示意

網(wǎng)關(guān)自動化測試系統(tǒng)測試流程為：

a. 導(dǎo)入測試所需各類文件，如DUT配置表、網(wǎng)關(guān)路由表、車載網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)庫（DBC）等；

b.配置測試任務(wù)，點擊運行按鈕開始測試；

c.系統(tǒng)按照測試腳本進行電源控制、配置盒控制、總線仿真及監(jiān)控等工作；

d. 測試完成，自動生成測試報告。

測試過程中會記錄包含總線信息的asc文件，根據(jù)asc文件中的報文或信號值及發(fā)送時間可對測試結(jié)果進行驗證。驗證結(jié)束后，測試管理系統(tǒng)對測試數(shù)據(jù)進行分析，為網(wǎng)關(guān)整改升級提供依據(jù)。

3 網(wǎng)關(guān)自動化測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

該測試系統(tǒng)硬件主要由機柜和臺架組成，機柜集成了Vector工具鏈、工控機、供電電源、示波器及配置盒等，臺架用于安裝被測樣件和負(fù)載，如圖3所示。

圖3中，Vector工具鏈包括總線測試設(shè)備VN1640A和總線干擾設(shè)備CANstressDR，VN1640A搭載的4路總線通道支持總線分析、總線仿真等工作，CANstressDR負(fù)責(zé)對總線進行干擾從而產(chǎn)生錯誤幀，在BusOff相關(guān)測試中使用，VN1640A與CANstressDR之間采用同步線連接，確保時間的一致性；示波器用于波形顯示、記錄及數(shù)據(jù)評價；程控電源用于DUT及負(fù)載的供電，具備RS232或以太網(wǎng)接口，通過該接口控制電源輸出電壓的大小；配置盒具有總線終端電阻配置、制造和恢復(fù)線故障等功能。

圖3 系統(tǒng)硬件組成

CAN總線電阻配置通過繼電器控制，保證總線終端電阻的阻值為60 Ω。線故障包括CAN總線對電源和對地短路、CANH與CANL短路等。CAN總線采用實車雙絞線束，以提高總線抗干擾能力[9]。

4 網(wǎng)關(guān)自動化測試系統(tǒng)程序設(shè)計

測試系統(tǒng)程序主要包括信息交互程序、測試腳本和Simulation Model三部分。信息交互程序承擔(dān)測試管理系統(tǒng)與測試平臺軟件CANoe之間的交互、測試管理系統(tǒng)與被控硬件的交互[10-11]、網(wǎng)關(guān)路由表信息提取等工作。

網(wǎng)關(guān)測試前需要填寫網(wǎng)關(guān)路由表，填寫示例見表1。表1中“路由屬性”列的0、1、2、3分別對應(yīng)無關(guān)報文路由、相關(guān)報文路由、無關(guān)信號路由和相關(guān)信號路由。通過測試管理系統(tǒng)可將表中的信息提取為ANeT_WG_ROUTinfo.cin文件，便于測試系統(tǒng)的測試調(diào)用。

表1 網(wǎng)關(guān)路由表（示例）

測試腳本為測試系統(tǒng)程序的核心部分，其作用是控制硬件配置測試環(huán)境、控制測試邏輯、規(guī)定評價標(biāo)準(zhǔn)、記錄測試數(shù)據(jù)等。其中測試邏輯根據(jù)測試用例編寫，應(yīng)符合測試廠家《網(wǎng)關(guān)自動化測試規(guī)范》的要求。

Simulation Model用于模擬網(wǎng)段節(jié)點報文的發(fā)送與停止，其仿真數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)關(guān)所包含的網(wǎng)段DBC。DBC包含節(jié)點報文的ID、周期等信息。Simulation Model不僅可以控制節(jié)點及報文的發(fā)送與停止，還可以實時改變信號值。由于網(wǎng)關(guān)路由對時間要求較嚴(yán)格，因此，在報文或信號的信息采集時，得到源網(wǎng)段與目標(biāo)網(wǎng)段之間信號轉(zhuǎn)發(fā)時間的差值是測試難點，而Simulation Model中信號值的不斷變化，再加上恰當(dāng)?shù)乃惴▽?shù)據(jù)進行處理，可以較容易得到該時間差值。

5 測試用例分類及典型測試用例分析

5.1 測試用例分類

網(wǎng)關(guān)測試用例主要分為相關(guān)路由報文測試、無關(guān)路由報文測試、相關(guān)路由信號測試、無關(guān)路由信號測試4類。對于報文路由，需要檢測整幀報文值，而對于信號路由，則需要從記錄的報文值中提取信號值。

CAN總線編碼格式分為Motorola(大結(jié)尾格式)及Intel(小結(jié)尾格式)兩種[6-7]，提取時需要不同的提取策略。報文編碼格式如圖4所示。

圖4 報文編碼格式

5.2 典型測試用例

a.相關(guān)報文正常路由行為。該測試用例的測試流程為：提取相關(guān)路由報文的信息，包括源網(wǎng)段、目標(biāo)網(wǎng)段、報文ID、報文周期等；控制供電電源輸出14.5V電壓為DUT供電；模擬相關(guān)路由報文及其他非路由報文的發(fā)送，并每發(fā)送一幀相關(guān)路由報文就改變其報文值；同時監(jiān)測源網(wǎng)段和目標(biāo)網(wǎng)段，記錄轉(zhuǎn)發(fā)是否正確，若正常轉(zhuǎn)發(fā)，則檢測其轉(zhuǎn)發(fā)報文值是否正確；檢測完成后停止模擬報文的發(fā)送。相關(guān)報文正常路由行為測試流程如圖5所示。

測試過程中進行源網(wǎng)段與目標(biāo)網(wǎng)段的報文ID及qword（0）值對比，若路由間隔時間Δt后所記錄目標(biāo)的ID與源ID一致，則結(jié)果正確。

圖5 相關(guān)報文正常路由行為測試流程圖

b.源網(wǎng)段總線對電源短路時的相關(guān)報文路由行為。該測試用例的測試流程為：提取相關(guān)路由報文信息；控制供電電源輸出14.5 V電壓為DUT供電；模擬相關(guān)路由報文及其它非路由報文的發(fā)送，并每發(fā)送一幀相關(guān)路由報文就改變其報文值；控制配置盒制造CANH對電短路故障，一定時間后再制造CANL對電源短路的故障，記錄網(wǎng)關(guān)所包含網(wǎng)段的報文發(fā)送；控制配置盒恢復(fù)CANH對電源短路故障，一定時間后再制造CANL對電源短路故障，記錄網(wǎng)關(guān)所包含網(wǎng)段的報文發(fā)送；控制配置盒恢復(fù)CANL對電源短路故障，一定時間后再制造CANH與CANL同時對電源短路故障，記錄網(wǎng)關(guān)所包含網(wǎng)段的報文發(fā)送；控制配置盒清除故障。源網(wǎng)段總線對電源短路時的相關(guān)報文路由行為測試流程如圖6所示。

圖6 源網(wǎng)段總線對電源短路時的相關(guān)報文路由行為測試流程

在源網(wǎng)段總線故障下，目標(biāo)網(wǎng)段不發(fā)送Error Frame，且故障消除后恢復(fù)正常路由的時間應(yīng)滿足Trecover≤300 ms。

利用該測試系統(tǒng)對某廠家的網(wǎng)關(guān)樣件進行了測試，3次不同故障恢復(fù)時間分別為T1=20.23 ms、T2=190.85 ms、T3=202.52 ms。標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)時間為ST=300 ms，考慮繼電器動作時間，則偏差時間為Δt=3 ms，則誤差a為：

將各值帶入式(1)，得測試誤差為1%左右，廠家要求的誤差范圍為±10%，則該測試精度滿足要求。

c.無關(guān)信號路由丟幀率。該測試用例的測試流程為：提取無關(guān)路由信號信息；控制供電電源輸出14.5 V電壓為DUT供電；在其它報文正常模擬發(fā)送情況下，模擬源網(wǎng)段發(fā)送無關(guān)路由信號5 000幀；記錄目標(biāo)網(wǎng)段的相應(yīng)報文轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量RoutCount。無關(guān)信號路由丟幀率測試流程見圖7。

丟幀率rate計算式為：

式中，R為源網(wǎng)段報文周期與目標(biāo)網(wǎng)段相應(yīng)報文周期的比值；SC為源網(wǎng)段報文周期；TC為目標(biāo)網(wǎng)段報文周期；TN為目標(biāo)網(wǎng)段報文轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量。

測試過程中記錄源網(wǎng)段與目標(biāo)網(wǎng)段的報文數(shù)量，通過式（2）計算丟幀率，其應(yīng)滿足rate≤0.1%。利用該測試系統(tǒng)對某廠家的網(wǎng)關(guān)樣件進行了測試，通過與手動測試對比表明，該網(wǎng)關(guān)自動化測試系統(tǒng)的測試結(jié)果無關(guān)信號丟幀率為0%，即轉(zhuǎn)發(fā)未丟失。

6 結(jié)束語

為提高汽車網(wǎng)關(guān)模塊測試效率，設(shè)計了聯(lián)合Simulation Model的網(wǎng)關(guān)自動化測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)以CANoe和LabVIEW作為基礎(chǔ)軟件，使用CAPL語言進行測試程序編寫，執(zhí)行效率高且便于進行二次開發(fā)。經(jīng)過實際使用和測試驗證表明，與手動測試相比，該系統(tǒng)操作簡便，測試內(nèi)容比更加全面，且測試結(jié)果無關(guān)信號丟幀率為0%，較好地完成了汽車網(wǎng)關(guān)模塊的測試。本系統(tǒng)擴展性較強，可實現(xiàn)諸如CAN單節(jié)點、CAN系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)管理等測試。