基于CAN總線的車載網絡通信系統設計與實現

張擁軍

(北京經濟管理職業學院， 人工智能學院， 北京 100102)

0 引言

隨著我國經濟的不斷發展，汽車的數量呈遞增趨勢上漲，對于汽車技術的要求也隨之增長。近年來，汽車技術不斷向上突破，形成汽車網聯技術，智能網聯汽車已成為主要發展方向之一。但是該技術使汽車對外接口的數量增多，造成網絡攻擊成為影響汽車安全性的關鍵因素，為此本研究提出一種基于CAN總線的車載網絡通信系統設計方案，可使汽車網絡通信的安全性得到保證，對于汽車領域的發展具有重要意義。

1 基于CAN總線的車載網絡通信系統總體設計

對車載網絡通信系統進行設計時，其結構組成主要由臺架、工控機等附件以及上位機軟件共同組成。臺架指全部硬件資源的統稱；工控機實際上是1臺通用的PC機，可輔助上位機管理軟件穩定運行；上位機軟件可為人與機之間提供接口，實現測試工程師與系統之間的交互，在系統中主要負責對臺架硬件資源的合理利用。其中，工控機與上位機軟件可融合為一個整體，本研究將其統稱為上位機[1]。

車載網絡通信系統總體設計方案共分為兩部分：上位機和下位機。上位機具有輔助功能，可協助測試人員創建測試模型，對下位機進行控制與測試。下位機內含48個ECU開發板，并集成了電源控制部件、CAN收發器模型等硬件設施的復雜系統。電源控制部件可為下位機的開發板及配置子板持續供應電源，實現下位機的穩定運行；CAN收發器模型內部主要包含CAN控制器及收發器模型，屬于一種可生成總線接口的模型庫，為驗證和模擬車載網絡通信系統的行為，可對CAN總線信號的電壓值、上升沿、下降沿等特性進行深入分析。CAN外圍電路模型可對共模濾波器模型進行開發，搭建過程中主要利用CAN收發器模型完成基本操作。對線束模型進行搭建時，可任意設置線長、線徑等資源，以此實現線束模擬仿真[2]。

對車載網絡通信系統進行開發時，為最大限度地降低系統開發難度，本研究將該系統分為10個模塊進行說明。

(1) 上位機：該部分實際上是1臺PC機，屬于整個系統的核心模塊，在PC機上可實現對測試管理軟件、CANOE、LabView等輔助軟件的運行。其中，測試管理軟件可對控制目標進行仿真測試，同時可對網絡運行環境生成測試用例文檔。

(2) 電源管理：為實現車載網絡通信系統的電源管理，可將實際電源分配至系統內部組件。

(3) 程控電源：該部分利用上位機軟件對車載網絡通信系統的實際工作電壓和電流進行仿真，可支持手動控制實際輸出電壓及電流的數值[3]。

(4) 控制器主板：對該部分設計時，應對控制器主板進行仿真。

(5) CAN收發器：為驗證和模擬車載網絡通信系統的行為，通過CAN物理層對電路仿真模型進行實現，并對CAN總線信號的電壓值、上升沿、下降沿等特性進行分析。

(6) 配置子板：通過模型庫中的模型數據，完成對CAN外圍電路的搭建。

(7) 控制器供電模塊：該部分可通過配置子板的方式為控制器的主板、CAN收發器持續供應電源。

(8) 故障注入模塊：該模塊可實現對車載網絡通信系統線路故障的仿真。

(9) 線束模型：為實現線束模擬仿真，可對線長、線徑等任意設置。

(10) 真實部件：該部件可在系統需要測試網絡使用情況時，將其接入仿真系統完成相關操作[4]。

2 基于CAN總線的車載網絡通信系統下位機設計

2.1 下位機總體設計方案

車載網絡通信系統設計過程中，將下位機作為系統穩定運行的基礎，并將車載網絡通信系統下位機分為電源、ECU開發板、收發器模型以及外圍電路模型等模塊，下位機總體設計方案如圖1所示。

圖1 下位機總體設計方案示意圖

從圖1可知，下位機總體設計方案主要包括3部分：電源、ECU仿真、故障注入。其中，PC機指上位機管理軟件，該部分可實現上位機與下位機之間的交互作用，對上位機配置完成的信息，主要通過串口的方式將該信息發送至程控電源及ECU、BOB上。方案中的電源部分可維持整個車載網絡通信系統的電源供應，為實現對車載網絡通信系統的通斷控制、過載保護以及急停控制等操作，將該部分劃分為電源管理、程控電源、控制器供電3個模塊。仿真ECU對于下位機的穩定運行具有重要促進作用，屬于下位機設計中的核心組成部分。對該部分進行設計時，應充分結合實際需求及使用情況，實現對不同收發器、外圍電路模型的任意組合測試。故障注入功能中最重要的部分為BOB，可實現對車載網絡通信系統運行過程中的任意故障進行模擬[5]。

2.2 電源設備選取

通過上述分析可知，車載網絡通信系統電源主要包括電源管理、程控電源以及控制器供電3個模塊，可持續為系統的ECU及BOB提供電源。其中，電源管理模塊可對車載網絡通信系統電源部分進行通斷控制、過載保護等操作。為維持系統的穩定發展，對電源設備進行選取時，應結合實際需求、成本、性能等方面因素進行綜合考慮，最終選擇市面上最普遍的旋鈕開關、急停開關作為系統主電源開關，并以220 V的交流電輸入至車載網絡通信系統。程控電源模塊的電壓及電流可由上位機軟件進行配置，對于ECU實際工作過程中的電源具有模擬功能。為實現對電壓及電流的配置，可通過串口通信的方式與程控電源進行交互，也可通過手動配置的方式對電壓及電流數值進行輸出[6]。

2.3 仿真ECU設備選取

該部件是車載網絡通信系統的核心部分，為實現對不同型號收發器及外圍電路模型進行測試，本研究將該部件分為ECU主板、CAN收發器子板及配置子板，根據系統的實際需求，使每個主板均支持六路CAN的配置。通過將仿真ECU設計成可自由插拔的形式，可實現不同型號子板和主板之間的自由組合，有利于將系統開發成本降至最低。

(1) ECU主板

該部分可執行CAN總線的收發程序，在系統中主要負責下位機對上位機ECU配置的讀取，可維持車載網絡通信系統的正常運行，屬于該系統的核心部分。將ECU主板應用于實際測試環境時，應加強對數據處理、運算速度、精度等方面的要求，最終將TC234LX作為主控芯片。該芯片內含32位微控制器，可充分滿足車載網絡通信系統對安全性能設置的標準，有利于提高系統應用性能，對于系統的開發成本、復雜性等部分具有降低作用，并且該芯片可支持6路CAN、2路LIN、CANFD及以太網接口。為實現ECU主板與上位機之間的交互，本研究采用RS485串口作為系統的通信接口，并為1路CAN通道預留了DB9接口，通過方式即可實現CAN網絡數據的采集和監控[7]。

(2) CAN收發器子板

本研究對CAN收發器子板采用可插拔式設計，為保證車載網絡通信系統的可擴展性，開發出20多種CAN收發器子板模型，將CAN收發器子板模型安裝在系統主板上，即可實現該部分的正常功能。

(3) 配置子板

配置子板可實現對系統ECU外圍電路參數的配置，ECU外圍電路的參數主要包括晶振、共模濾波器、終端電阻、分裂電容、直線電阻等。對該部分進行設計時，同樣采用可插拔式設計，為實現對外圍電路的配置，可利用繼電器的通斷功能對子板進行配置。

2.4 故障注入

車載網絡通信系統在運行過程中，其內部輸入輸出信號可出現短路、斷路、開路等現象，對車載網絡通信系統進行仿真測試，可通過故障模擬實現。

3 基于CAN總線的車載網絡通信系統上位機設計

3.1 上位機功能結構

該軟件主要由PC機、Windows操作系統以及輔助軟件CANOE等部分共同組成。系統測試人員通過上位機軟件可實現對車載網絡通信系統的操作，以此完成對車載網絡通信系統的各項測試，上位機軟件功能結構[8]如圖2所示。

圖2 上位機軟件功能結構圖

對上位機的功能結構進行測試，將測試程序分為8個步驟。首先，在臺架上電前對網絡拓撲進行搭建；相關準備工作完成后給臺架上電；運行上位機管理軟件，實現對車載網絡通信系統的電源管理；為ECU持續供應電源；將CAN通信網絡的數據文件以*.dbc格式導入系統中，有利于ECU在配置過程中使用；配置CAN總線的節點；下載配置；生成測試用例文檔及報告文檔。

3.2 上位機軟件主界面

對主界面進行設計時將其分為3部分。其中，臺架參數設置主要對程控電源和IO設備進行操作，由于IO設備暫無應用，為其預留端口，程控電源的主要功能包括：打開和關閉輸出功能、提示輸出狀態及設置輸出電壓。數據庫部分可對DBC源數據進行導入及管理，有利于降低系統測試的復雜性。歷史配置參數部分可為系統測試保留配置數據，通過對配置名稱進行設置、查詢歷史記錄、新建配置記錄、生成PDF文件等功能，有利于測試人員直接讀取上一次的配置數據，為測試人員提供便捷性。

3.3 數據庫解析

數據庫解析是上位機軟件運行的核心，將車載網絡通信系統的文獻解析為DBC形式，用來描述單個CAN網絡的通信。DBC文件可用于開發電子控制單元的通信軟件，本研究主要利用DBC文件格式對系統數據庫進行解析，為系統測試奠定基礎。其解析流程為首先將DBC文件讀入至數據庫中，數據庫可對文本內容進行逐行讀取，以此判斷文件是否結束。在內容不為空的狀態下，調用數據庫的解析程序，對DBC文件進行解析，解析完畢后，系統自動將結果保存至數據庫中。其中，數據庫的型號為MySQL，數據庫解析流程如圖3所示。

圖3 數據庫解析流程圖

3.4 數據庫接口設計

本研究將數據庫接口分為3部分進行設計，其中ECU配置數據接口的CAN通道配置為CAN_Channel、初始化延遲發送時間配置為Init_Delay_Time、波特率配置為Baud_Rate、位定時設置Bit_Timing、CANFD波特率為CANFD_Baud_Rate、CANFD數據場設置為CANFD_Data_Field。ECU發送報文數據接口的CAN報文幀格式配置為Messaga_Type、報文ID為Messaga_ID、報文數據長度DLC、發送方式Send_Type。外圍電路配置數據接口的晶振參數Co_pa-rameter、共模濾波器參數Cmf_parameter、終端電阻參數Terminal_Resistance、分裂電容參數為Split_Apacitance、ESD電容參數為ESD_Apacitance、終端電阻參數TR_Position、外圍電路參數Peripheral_Circuit、支線電阻參數為Branch_Resistance。

4 基于CAN總線的車載網絡通信系統仿真測試

為驗證車載網絡通信系統的有效性及合理性，本研究首先確保對ECU單節點的真實有效性。測試開始之前，分別對系統內部真實部件及ECU單節點進行測試。對ECU單節點測試時，其中CANOE可在本次測試中充當CAN網絡的終端節點，在本次測試中用于檢測并解析CAN總線的報文數據，而系統中CAN總線的波形數據可用示波器檢測，ECU可在測試中充當真實部件或仿真ECU節點，由于系統中的樣本數量較多，本研究將控制器的名稱用ECU1和ECU2表示。

測試流程：首先將節點與測試設備連接，ECU1的CAN收發器的型號為TJA1042，ECU2的CAN收發器的型號為TLE6251DS；連接完畢后，對測試系統上電，將輸出電壓設置為24 V，啟動電源運行上位機管理軟件；運行過程中將待測ECU及CAN數據庫文件導入測試系統中，將測試過程中產生的配置信息以PDF形式保存。選擇總線節點，并對外圍電路進行配置，其中ECU1的外圍電路參數為晶振參數0、終端電阻120 Ω、共模濾波器0uH、分裂電容1 nF、ESD電容為47 pF。ECU2的外圍電路參數為晶振參數0、終端電阻無、共模濾波器0uH、分裂電容4.7 nF、ESD電容為100 pF、支線電阻2.6 kΩ。對ECU配置進行下載，并將觀測結果生成測試報告。

由于測試環境存在干擾因素，本研究選取誤差較小的18個CAN波形參數。為保證車載網絡通信系統的穩定運行，要求ECU單節點精度應小于20%，對本次測試結果進行分析可知，ECU單節點的精度符合預期值。

5 總結

為了使汽車通信網絡信息的安全得到保證，本研究提出一種基于CAN總線的車載網絡通信系統設計方案，并將車載網絡通信系統分為兩部分進行設計，分別是上位機和下位機。上位機具有輔助功能，可協助測試人員創建測試模型，對下位機進行控制與測試；下位機內含48個ECU開發板，并集成了電源控制部件、CAN收發器模型等硬件設施的復雜系統。為了驗證該系統的安全性及有效性，利用仿真測試對系統的ECU單節點進行測試，將該系統應用于汽車工業領域，對于汽車行業的發展具有重要意義。