基于零部件的CAN網絡測試研究

陸祖委

摘 要：隨著汽車電氣化、智能化、網聯化程度的提高，整車電器架構越來越復雜，對車載CAN網絡的可靠性、穩定性都提出了更高的要求， CAN網絡測試在車型開發中扮演的角色也越來越重要。本文基于單零部件的CAN網絡測試，對采用J1939協議的商用車24V電器零部件CAN網絡主要測試內容及測試方法深入討論，并對CAN網絡測試的未來發展趨勢作簡單分析，以供參考。

關鍵詞：汽車電器 車載通訊 CAN網絡測試

Research on Component-based CAN Network Testing

Lu Zuwei

Abstract：With the improvement of vehicle electrification， intelligence and networking， the electrical architecture of the whole vehicle is becoming more and more complex， which puts forward higher requirements for the reliability and stability of the on-board CAN network， and the role of CAN network testing in model development is becoming more and more important. Based on the CAN network test of single components， this paper discusses the main test content and test methods of CAN network for 24V electrical parts of commercial vehicles using J1939 protocol， and briefly analyzes the future development trend of CAN network testing for reference.

Key words：automotive electrical appliances， telematics， CAN network test

1 前言

整車電器功能的實現往往需要多個以上的電器系統交互實現，目前車載CAN網絡已被廣泛應用于車載通訊，CAN網絡的穩定性是功能可靠實現的基礎。在零部件開發過程中同步開展CAN網絡測試，提前發現不符合要求的參數指標并進行整改，可以有效降低整車電器故障的發生概率。

2 物理層的測試

2.1 欠電壓/過電壓測試

整車蓄電池在用車過程中處于波動狀態，在饋電狀態下往往能降到20V以下，車輛啟動對其充電時或滿電時，能達到28V以上，這對零部件CAN網絡的電壓適應性提出了一定要求。通常需要確保在18V-32V電壓范圍內，CAN網絡依然能正常通訊。另外，涉及與發動機啟動相關的CAN節點，需要能適應更低的電壓。這是因為在發動機啟動過程中，蓄電池電壓會被啟動電機拉低，降幅可達10V以上。測試過程中，可將零部件按標稱電壓24V供電，緩慢調節電壓降低或升高，同時使用CAN總線測試設備監測其發送報文，確認在設計電壓范圍內CAN網絡無異常，不出現錯誤幀、丟幀等情況。

2.2 顯性位/隱性位電壓測試

CAN電壓正確輸出是接收節點識別其邏輯電平的基礎，若CAN電壓幅值超出允許范圍，接收節點將誤判為接收到的邏輯電平為翻轉，在校驗時收發邏輯電平不一致，導致CAN網絡出現錯誤幀并最終造成CAN網絡關閉。測試過程中，使用示波器分別測試顯性位、隱性位的CAN_H、CAN_L、CAN_diff電壓，核對是否處于允許范圍內。CAN收發器驅動CAN電壓的能力可能會受到供電電壓的影響，故除了在標稱電壓24V下開展測試外，也需要對欠電壓、過電壓的情況進行測試，如在18V、32V。如下是24V工作電壓下EMS的顯性位/隱性位電壓測試結果：

2.3 上升沿/下降沿時間測試

CAN電壓的上升沿時間、下降沿時間指的分別是CAN_diff電壓波形從發送隱性位電壓轉變為顯性位電壓、從發送顯性位電壓轉變為隱性位電壓時10%-90%的電壓區間對應的持續時間。上升沿時間、下降沿時間過大將導致接收節點采樣錯誤，造成接收節點判斷邏輯電平錯誤；上升沿時間、下降沿時間過小將導致零部件EMC輻射發射超標，故需要將上升沿時間、下降沿時間限定在合理范圍內。使用CAN示波器捕捉CAN節點發送任意報文的CAN_diff電壓波形，分別截取上升、下降電壓波形幅值的10%-90%，此區間經歷的時間即為上升沿/下降沿時間。如下為某零部件CAN電壓上升沿時間，為166ns。

2.4 位時間測試

位時間指的是總線上傳輸一個位所經歷的時間，為CAN波特率的倒數，以500kbps波特率為例，其標稱位時間為2000ns。位時間超出范圍時，總線位定時與同步將發生錯誤，導致CAN網絡故障。測試時，使用示波器測量DUT所發送的任意幀報文的CAN_diff波形，計算該報文中所有位發送所經歷的時間，最終計算出平均值，即可得到位時間。

2.5 采樣點測試

采樣點是接收節點判斷邏輯電平的位置。在多個CAN節點組網時，各節點的采樣點應盡量保持一致，若任意一個節點的采樣點出現較大偏差時，可能會導致同樣的采樣頻率出現采樣錯誤，從而出現網絡故障。發送一個位所經歷的時間，依據晶振頻率的不同，被劃分為多個相等數量的時間份額Tq，數量通常為8～25之間。測試過程中，選定 DUT發送報文的某一位，使用CANstress依次從此位末端往前、分別逐一對其Tq對應的電平進行干擾，使其調整為翻轉電平，當干擾至采樣點所在的Tq時，CAN網絡將錯誤幀，此Tq在一個位時間的位置所占百分比即為采樣點，通常要求采樣點在75%～87.5%之間。如圖3所示，被測CAN節點的發送位時間因晶振頻率固有屬性分為16Tq，在對序號為13Tq的CAN電壓進行干擾時出現錯誤幀，經計算可知其采樣點為13/16=81.25%。

2.6 終端電阻測試

CAN協議規定了CAN網段的電阻是60Ω，通常將終端電阻內置于CAN總線兩個最遠端的CAN節點中（稱為終端節點），各為120Ω，并聯后即滿足總線電阻為60Ω的要求。對于非終端節點，通常要求其CAN_H與CAN_L之間的電阻大于13kΩ，以確保其不會拉低CAN總線的電阻。測試時，需要將DUT供電斷開，使用萬用表測量CAN_H與CAN_L之間的電阻，依據其是否為終端節點，判斷DUT的電阻是否滿足要求。

3 數據鏈路層測試

3.1 數據幀結構測試

1939協議中對數據幀結構作了明確定義，如幀起始位（SOF）、仲裁場（Arbitration Field）、控制場（Control Field）、數據場（Data Field）、CRC場、應答場（Ack Field）、幀結束位（EOF）等，DUT應正確發送。使用CAN示波器獲取CAN電壓波形監測DUT發送CAN報文，將所有CAN報文的數據幀結構逐個位與1939協議進行逐一核對，確保數據幀結構發送正確。

3.2 報文DLC測試

DUT系統通訊矩陣定義了DUT中所有報文的DLC，即數據長度，測試時，使用CAN測試工具監測DUT發送報文，核對各報文DLC是否與系統通訊矩陣定義一致。

3.3 傳輸協議測試

單幀CAN報文的數據長度最大為8個字節，當需要傳輸的報文數據長度超過8個字節時，需要依據傳輸協議相關定義發送。發送節點、接收節點在經過對數據的打包和重組后，即可得到原報文的數據內容。目前，行業內在傳輸協議上的應用，主要采用TP.CM_BAM報文、TP.DT報文以全局廣播的方式發送。傳輸協議的測試主要涉及TP.CM_BAM報文幀格式、TP.DT報文幀格式、及全局廣播定時測試。測試時，依據DUT的故障觸發邏輯制造兩個以上的故障，如此DUT發送的DM1報文中包含兩個故障碼，數據長度將超過8個字節，DUT會通過TP.CM_BAM報文、TP.DT報文發送DM1故障碼，使用CAN測試工具監測TP.CM_BAM報文、TP.DT報文，得到幀格式、定時參數，再確認是否滿足設計要求。

4 交互層測試

4.1 周期型報文測試

此項測試目的是為了確認DUT發送的Cycle類型報文發送周期是否穩定。將DUT上電待網絡穩定后，使用CAN測試工具持續監測DUT發送的Cycle類型報文1min以上，計算出發送周期的平均值、最小值、最大值，通常要求發送周期偏差不超過±10%。

4.2 事件型報文測試

此項測試目的是為了確認DUT發送的Event類型報文重復發送次數、間隔時間是否符合要求。將DUT上電待網絡穩定后，依據Event類型報文的發送邏輯觸發此類型報文的發送，使用CAN測試工具監測DUT發送的事件型報文，通常要求此類型報文觸發后重復次數為3，間隔時間為50ms。

4.3 不同報文的延遲時間測試

為避免總線負載率的突變，要求同一CAN節點發送的不同報文有一定的時間間隔。使用CAN測試工具持續監測DUT發送的所有報文1min以上，計算出不同報文之間的最小發送間隔時間，此間隔時間即為不同報文的延遲時間，通常要求大于2ms。

5 CAN網絡測試的未來發展趨勢

隨著整車電器功能的增加，電器架構也越來越復雜，整車可靠性路試、售后反饋偶發嚴重低頻率問題也隨之增多，此類故障往往無規律可循，這對整車CAN網絡的穩定性提出了更高的要求。由此，傳統單個CAN節點的網絡測試已無法滿足驗證需求。目前行業內多家整車企業已引入CAN網絡集成測試機柜，將整車所有CAN節點按整車網絡拓撲搭載于此機柜，更好地模擬了整車的通訊環境，并且采用自動化測試，能更有效地發現CAN網絡在穩定性、可靠性方面的問題，CAN網絡集成測試機柜將成為零部件CAN網絡測試、整車網絡測試的有效補充。

6 結束語

CAN網絡各項指標的符合性、穩定性是汽車電器功能可靠實現的基礎，整車廠、各級供應商均應對CAN網絡測試引起足夠重視。尤其是整車廠，加大測試設備投資、完善測試體系、提高測試技術、引入技術型人才，全方位提升CAN網絡測試水平，對汽車產品綜合競爭力的提升具有重要意義。

參考文獻：

[1]白靈，魏磊，侯登云，杜永強，尹玉斌. 基于CANoe的商用車SAE J1939網絡自動測試方法[J].汽車實用技術，2022，47（09）：4-8.

[2]李林澤，孟鑫，徐嫚，黃祖朋，謝佶宏，邵杰. 基于手動測試硬件的BUS OFF自動化測試解決方案[J]. 汽車實用技術，2021，46（14）：8-10.

[3]李甜，蔡營，黃鐠. 整車CAN網絡的耐久性能測試方法[A]. 中國汽車工程學會（China Society of Automotive Engineers）.2020中國汽車工程學會年會論文集（1）[C].中國汽車工程學會（China Society of Automotive Engineers）：中國汽車工程學會，2020：125-127.

[4]孟鑫，唐妍，謝佶宏，黃祖朋，趙小羽，韋勇. 電動汽車CAN網絡測試設備研究[J]. 時代汽車，2020，（16）：69-70.