基于CANoe的汽車網(wǎng)關(guān)控制器的測試

徐忠國，韓同群，王貴林，白嘉綺

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442000）

隨著電子和通信技術(shù)的快速發(fā)展，汽車總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)越來越普及。網(wǎng)關(guān)控制器，它是汽車電子電氣架構(gòu)內(nèi)的核心元件，發(fā)揮著汽車網(wǎng)絡(luò)中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的交互樞紐作用[1]，能夠完成在不同的網(wǎng)絡(luò)中，控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network,CAN）、局域互連網(wǎng)絡(luò)（Local Internet, LIN）、以太網(wǎng)（Ethernet）等數(shù)據(jù)進(jìn)行路由[2]，而且還可以對數(shù)據(jù)的帶寬、安全性問題進(jìn)行解決。目前，車輛日益依賴電子控制單元（Electronic Control Unit,ECU）來實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化各類性能。

當(dāng)今，汽車網(wǎng)關(guān)不斷往多協(xié)議方向發(fā)展。作為整車各種ECU網(wǎng)絡(luò)之間的通信橋梁，網(wǎng)關(guān)的主要功能之一是隔離不同的網(wǎng)段。現(xiàn)今社會(huì)，隨著車內(nèi)ECU數(shù)量的增加，網(wǎng)關(guān)控制器測試要求也越來越高，傳統(tǒng)的檢測方法現(xiàn)已不能滿足測試需求，因此，一個(gè)可靠高效的測試系統(tǒng)就顯得非常重要。針對當(dāng)前車載網(wǎng)關(guān)控制器測試系統(tǒng)功能單一以及測試系統(tǒng)效率低等問題，本文通過對某型乘用車電控轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)需求，基于德國Vector公司CANoe設(shè)計(jì)出汽車網(wǎng)關(guān)的測試系統(tǒng)，進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)架測試驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)驗(yàn)證測試流程

汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器由電源電路、驅(qū)動(dòng)電路、接口電路、監(jiān)測電路、微控制單元（Micro Controller Unit, MCU）等構(gòu)成，如圖1所示。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering,EPS）控制器能夠通過扭矩、轉(zhuǎn)角傳感器的信號輸出從而得到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的信號，接著信號就傳至驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過繼電器、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路供電。EPS中的監(jiān)測電路就是對電流實(shí)行監(jiān)測作用，如果發(fā)生過流情況時(shí)，繼電器就會(huì)斷開，對電路實(shí)行保護(hù)。

圖1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)圖

作為整車通信的橋梁，網(wǎng)關(guān)控制器用于整車網(wǎng)絡(luò)中同種通信協(xié)議或者不同種通信協(xié)議之間數(shù)據(jù)和信息的交換。網(wǎng)關(guān)控制器是集橋接器與路由器功能于一體的用于接連異型網(wǎng)絡(luò)的接口裝置。汽車CAN總線可分為P_CAN和B_CAN。P_CAN是動(dòng)力網(wǎng)段，包含發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、安全氣囊ECU等；B_CAN是車身網(wǎng)段，包含門鎖防盜ECU、儀表顯示ECU等，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)控制器控制結(jié)構(gòu)框圖

網(wǎng)關(guān)控制器測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證流程如圖3所示，首先要對某型乘用車電控轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行分析。然后，根據(jù)需求分析的結(jié)果，再對網(wǎng)關(guān)控制測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要是參數(shù)配置文件的讀取和處理、診斷控制面板和功能驗(yàn)證等。根據(jù)網(wǎng)關(guān)的測試環(huán)境和測試規(guī)范，使用CANoe建立仿真工程測試，接著搭建試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測試試驗(yàn)，測試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)內(nèi)容包括測試模塊、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)管理器（DataBase Commander,DBC）文件、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约坝布O(shè)備。最后以測試規(guī)范作為評判標(biāo)準(zhǔn)，對測試結(jié)果進(jìn)行分析。

圖3 測試驗(yàn)證流程

2 系統(tǒng)測試平臺(tái)搭建

汽車網(wǎng)關(guān)的主要功能是路由數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)控制器一般會(huì)提供報(bào)文路由、信號路由和診斷路由。測試系統(tǒng)的作用主要是檢測網(wǎng)關(guān)控制器的路由功能和診斷功能是否完善。測試平臺(tái)的硬件架構(gòu)系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)控制器、電源、CAN網(wǎng)絡(luò)接口、EPS以及計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備組成。

選用某車型的網(wǎng)關(guān)控制器，該網(wǎng)關(guān)控制器的接口有12個(gè)引腳，本文對于測試實(shí)驗(yàn)設(shè)置連接了6條線，如表1所示。網(wǎng)口引腳對應(yīng)的信號如圖4所示。網(wǎng)關(guān)控制器中CAN1_L和CAN1_H接到CANoe的VN1630A端口上。而CAN2_L和CAN2_H與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)連接，另外兩條線連接著電源。

圖4 網(wǎng)關(guān)接口定義圖

表1 網(wǎng)關(guān)接口引腳對應(yīng)的信號

如圖5所示，通過電源設(shè)置網(wǎng)關(guān)控制器的可調(diào)電壓。各網(wǎng)段均包含2個(gè)120 Ω的終端電阻。對于網(wǎng)關(guān)控制器，它主要任務(wù)就是對 2個(gè)數(shù)據(jù)傳輸速率不同的系統(tǒng)，使它們能夠正常進(jìn)行信息交換。網(wǎng)關(guān)處理消息的過程主要分為三個(gè)部分，首先接收消息，然后處理消息，最后轉(zhuǎn)發(fā)消息。在此以兩路CAN網(wǎng)絡(luò)為例，源子網(wǎng)將消息發(fā)送出來，網(wǎng)關(guān)接收該消息，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)處理后消息到達(dá)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)控制器中設(shè)置了2路CAN通訊硬件的接口[3]，一路連接到CAN1，另一路連接到CAN2。網(wǎng)關(guān)控制器能夠?qū)Σ煌耐ㄐ艆f(xié)議支持，首先CAN1上接收報(bào)文信號，之后信號經(jīng)過處理后發(fā)到CAN2上，這時(shí) CAN2上接收報(bào)文信號，信號經(jīng)過處理后發(fā)到CAN1。電源提供12 V供電和喚醒線信號。使用VN1630A接口一端連接電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)控制器，另一端連接電腦，主要是進(jìn)行報(bào)文的收發(fā)，使用CANoe軟件來模擬網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行報(bào)文發(fā)送，數(shù)據(jù)庫文件是DBC文件，配置文件主要是參數(shù)初始化文件。在計(jì)算機(jī)中，是基于CANoe軟件仿真測試系統(tǒng)。

圖5 VN1630A上兩路CAN連接圖

3 CANoe仿真模型設(shè)計(jì)

3.1 基本配置

設(shè)計(jì)前要先進(jìn)行仿真接口的硬件配置[4]，硬件配置首先連接CANoe VN1630A 到計(jì)算機(jī)上，在控制面板將CANoe的通道分配給相應(yīng)vector硬件通道上。軟件配置新建一個(gè)CANoe工程，選擇合適的模板建立配置文件。

3.2 創(chuàng)建DBC數(shù)據(jù)庫

DBC數(shù)據(jù)庫中主要包括報(bào)文（Message）、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（Node）、信號（Signal）等信息，它是CAN網(wǎng)絡(luò)仿真分析的基礎(chǔ)文件。根據(jù)設(shè)計(jì)好的CAN網(wǎng)絡(luò)通訊矩陣使用CANdb++Editorger創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)、報(bào)文、信號等。對于任何一個(gè)報(bào)文，里面都存在若干條信號[5]。在CANoe中通過CANdb++數(shù)據(jù)庫工具，能夠做到報(bào)文值的實(shí)時(shí)修改，進(jìn)而方便了測試仿真分析。

3.3 增加節(jié)點(diǎn)，添加數(shù)據(jù)庫

增加節(jié)點(diǎn)，在CANoe中插入Network Node。總線上CAN信號以報(bào)文形式展現(xiàn)，要想解析出物理信號，就需要把DBC數(shù)據(jù)庫文件添加進(jìn)去。在Simulation Setup窗口的Databases上添加DBC文件，加載到測試仿真系統(tǒng)中，使CANoe和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相互關(guān)聯(lián)起來。

3.4 創(chuàng)建系統(tǒng)變量

在CANoe中添加環(huán)境變量時(shí)，要對環(huán)境變量的名稱、類型、最小值、最大值、初始值等屬性進(jìn)行定義。信號報(bào)文名稱在 Namespace中輸入，信號名稱name中輸入，根據(jù)DBC數(shù)據(jù)庫里面的定義，輸入最小值、最大值、初始值[6]，在value table處定義該信號的值，如果是模擬量則不定義，如果是數(shù)字量，定義好每個(gè)狀態(tài)對應(yīng)的含義，然后添加完所有的信號，另外還需添加報(bào)文的可下載內(nèi)容（Downloadable Content, DLC）、報(bào)文發(fā)送開關(guān)等系統(tǒng)變量。

3.5 設(shè)計(jì)控制面板

控制面板的主要功能是對網(wǎng)關(guān)的參數(shù)及信息進(jìn)行讀寫和配置。所要測試的項(xiàng)目，在CANoe軟件中的Panel Designer上進(jìn)行上位機(jī)操作面板的編輯設(shè)計(jì)。通過該工具可以創(chuàng)建面板，對放置的控件關(guān)聯(lián)上信號變量；當(dāng)對控件進(jìn)行操作時(shí)，則相應(yīng)改變了關(guān)聯(lián)上該控件的變量值；再通過通信訪問編程語言（Communication Access Programming Laguage, CAPL）獲取該變量的值，這樣便可以進(jìn)行下一步的程序動(dòng)作，即面板控件為交互，關(guān)聯(lián)上的信號變量為橋梁，以此完成交互工作。

3.6 編寫程序

針對CANoe開發(fā)環(huán)境，德國Vector公司設(shè)計(jì)了專門的開發(fā)語言 CAPL。它和 C語言在概念和語法上都類似，CAPL是面向事件的編程語言[7]。通過 CAPL編寫程序達(dá)到模擬總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的行為，能夠模擬做到實(shí)際節(jié)點(diǎn)報(bào)文的相關(guān)發(fā)送、接收、處理等工作，能夠仿真展示實(shí)際網(wǎng)關(guān)控制器的功能。使用 CAPL進(jìn)行程序編寫，來實(shí)現(xiàn)對信號的控制[8]，完成后編譯，應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上。

4 臺(tái)架測試

按照之前設(shè)計(jì)要求將電源、網(wǎng)關(guān)控制器、VN1630A、EPS以及計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備連接，搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)架測試平臺(tái)。如圖6所示，選取某車企的網(wǎng)關(guān)控制器進(jìn)行測試。通過CANoe軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控CAN網(wǎng)絡(luò)中的CAN1和CAN2中的信號數(shù)據(jù)。利用數(shù)據(jù)追蹤窗口將各測量模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、測試結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示和刷新。測試項(xiàng)目如表2所示。

圖6 試驗(yàn)測試平臺(tái)

表2 測試項(xiàng)目

試驗(yàn)結(jié)果表明，通過網(wǎng)關(guān)控制器接收和轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文 ID、數(shù)據(jù)長度、周期、Rolling counter、Checksum等滿足數(shù)據(jù)一致性。信號轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)的時(shí)間在一個(gè)周期以內(nèi)，通過網(wǎng)關(guān)與各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換通信的實(shí)時(shí)性符合要求。執(zhí)行錯(cuò)誤轉(zhuǎn)發(fā)測試，錯(cuò)誤幀并未轉(zhuǎn)發(fā)，滿足系統(tǒng)要求。

利用VN1630A等工具，搭建了網(wǎng)關(guān)控制器測試臺(tái)架。使用某乘用車的網(wǎng)關(guān)控制器作為被測對象，一方面去驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)測試系統(tǒng)功能的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，另一方面驗(yàn)證測試用例的可執(zhí)行性。通過臺(tái)架測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)測試系統(tǒng)可以滿足測試需求，網(wǎng)關(guān)控制器測試項(xiàng)目結(jié)果與預(yù)期一致，具有良好的效果。

5 結(jié)論

利用CAN網(wǎng)絡(luò)接口、電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)控制器、計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備搭建了網(wǎng)關(guān)控制器硬件測試平臺(tái)。接著設(shè)計(jì)了 CANoe仿真模型，建立DBC數(shù)據(jù)庫文件，創(chuàng)建了系統(tǒng)變量，設(shè)計(jì)控制面板，編寫了控制程序。以某乘用車網(wǎng)關(guān)控制器為被測對象進(jìn)行臺(tái)架測試。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)測試系統(tǒng)較好地完成了汽車網(wǎng)關(guān)模塊的測試，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。