基于零部件的CAN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試研究

陸祖委

摘 要：隨著汽車電氣化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化程度的提高，整車電器架構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)車載CAN網(wǎng)絡(luò)的可靠性、穩(wěn)定性都提出了更高的要求， CAN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試在車型開(kāi)發(fā)中扮演的角色也越來(lái)越重要。本文基于單零部件的CAN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，對(duì)采用J1939協(xié)議的商用車24V電器零部件CAN網(wǎng)絡(luò)主要測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試方法深入討論，并對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)作簡(jiǎn)單分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：汽車電器 車載通訊 CAN網(wǎng)絡(luò)測(cè)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(shí)現(xiàn)往往需要多個(gè)以上的電器系統(tǒng)交互實(shí)現(xiàn)，目前車載CAN網(wǎng)絡(luò)已被廣泛應(yīng)用于車載通訊，CAN網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性是功能可靠實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。在零部件開(kāi)發(fā)過(guò)程中同步開(kāi)展CAN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，提前發(fā)現(xiàn)不符合要求的參數(shù)指標(biāo)并進(jìn)行整改，可以有效降低整車電器故障的發(fā)生概率。

2 物理層的測(cè)試

2.1 欠電壓/過(guò)電壓測(cè)試

整車蓄電池在用車過(guò)程中處于波動(dòng)狀態(tài)，在饋電狀態(tài)下往往能降到20V以下，車輛啟動(dòng)對(duì)其充電時(shí)或滿電時(shí)，能達(dá)到28V以上，這對(duì)零部件CAN網(wǎng)絡(luò)的電壓適應(yīng)性提出了一定要求。通常需要確保在18V-32V電壓范圍內(nèi)，CAN網(wǎng)絡(luò)依然能正常通訊。另外，涉及與發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)相關(guān)的CAN節(jié)點(diǎn)，需要能適應(yīng)更低的電壓。這是因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，蓄電池電壓會(huì)被啟動(dòng)電機(jī)拉低，降幅可達(dá)10V以上。測(cè)試過(guò)程中，可將零部件按標(biāo)稱電壓24V供電，緩慢調(diào)節(jié)電壓降低或升高，同時(shí)使用CAN總線測(cè)試設(shè)備監(jiān)測(cè)其發(fā)送報(bào)文，確認(rèn)在設(shè)計(jì)電壓范圍內(nèi)CAN網(wǎng)絡(luò)無(wú)異常，不出現(xiàn)錯(cuò)誤幀、丟幀等情況。

2.2 顯性位/隱性位電壓測(cè)試

CAN電壓正確輸出是接收節(jié)點(diǎn)識(shí)別其邏輯電平的基礎(chǔ)，若CAN電壓幅值超出允許范圍，接收節(jié)點(diǎn)將誤判為接收到的邏輯電平為翻轉(zhuǎn)，在校驗(yàn)時(shí)收發(fā)邏輯電平不一致，導(dǎo)致CAN網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)錯(cuò)誤幀并最終造成CAN網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉。測(cè)試過(guò)程中，使用示波器分別測(cè)試顯性位、隱性位的CAN_H、CAN_L、CAN_diff電壓，核對(duì)是否處于允許范圍內(nèi)。CAN收發(fā)器驅(qū)動(dòng)CAN電壓的能力可能會(huì)受到供電電壓的影響，故除了在標(biāo)稱電壓24V下開(kāi)展測(cè)試外，也需要對(duì)欠電壓、過(guò)電壓的情況進(jìn)行測(cè)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(cè)試結(jié)果：

2.3 上升沿/下降沿時(shí)間測(cè)試

CAN電壓的上升沿時(shí)間、下降沿時(shí)間指的分別是CAN_diff電壓波形從發(fā)送隱性位電壓轉(zhuǎn)變?yōu)轱@性位電壓、從發(fā)送顯性位電壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡[性位電壓時(shí)10%-90%的電壓區(qū)間對(duì)應(yīng)的持續(xù)時(shí)間。上升沿時(shí)間、下降沿時(shí)間過(guò)大將導(dǎo)致接收節(jié)點(diǎn)采樣錯(cuò)誤，造成接收節(jié)點(diǎn)判斷邏輯電平錯(cuò)誤；上升沿時(shí)間、下降沿時(shí)間過(guò)小將導(dǎo)致零部件EMC輻射發(fā)射超標(biāo)，故需要將上升沿時(shí)間、下降沿時(shí)間限定在合理范圍內(nèi)。使用CAN示波器捕捉CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送任意報(bào)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(qū)間經(jīng)歷的時(shí)間即為上升沿/下降沿時(shí)間。如下為某零部件CAN電壓上升沿時(shí)間，為166ns。

2.4 位時(shí)間測(cè)試

位時(shí)間指的是總線上傳輸一個(gè)位所經(jīng)歷的時(shí)間，為CAN波特率的倒數(shù)，以500kbps波特率為例，其標(biāo)稱位時(shí)間為2000ns。位時(shí)間超出范圍時(shí)，總線位定時(shí)與同步將發(fā)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致CAN網(wǎng)絡(luò)故障。測(cè)試時(shí)，使用示波器測(cè)量DUT所發(fā)送的任意幀報(bào)文的CAN_diff波形，計(jì)算該報(bào)文中所有位發(fā)送所經(jīng)歷的時(shí)間，最終計(jì)算出平均值，即可得到位時(shí)間。

2.5 采樣點(diǎn)測(cè)試

采樣點(diǎn)是接收節(jié)點(diǎn)判斷邏輯電平的位置。在多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)時(shí)，各節(jié)點(diǎn)的采樣點(diǎn)應(yīng)盡量保持一致，若任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的采樣點(diǎn)出現(xiàn)較大偏差時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致同樣的采樣頻率出現(xiàn)采樣錯(cuò)誤，從而出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障。發(fā)送一個(gè)位所經(jīng)歷的時(shí)間，依據(jù)晶振頻率的不同，被劃分為多個(gè)相等數(shù)量的時(shí)間份額Tq，數(shù)量通常為8～25之間。測(cè)試過(guò)程中，選定 DUT發(fā)送報(bào)文的某一位，使用CANstress依次從此位末端往前、分別逐一對(duì)其Tq對(duì)應(yīng)的電平進(jìn)行干擾，使其調(diào)整為翻轉(zhuǎn)電平，當(dāng)干擾至采樣點(diǎn)所在的Tq時(shí)，CAN網(wǎng)絡(luò)將錯(cuò)誤幀，此Tq在一個(gè)位時(shí)間的位置所占百分比即為采樣點(diǎn)，通常要求采樣點(diǎn)在75%～87.5%之間。如圖3所示，被測(cè)CAN節(jié)點(diǎn)的發(fā)送位時(shí)間因晶振頻率固有屬性分為16Tq，在對(duì)序號(hào)為13Tq的CAN電壓進(jìn)行干擾時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤幀，經(jīng)計(jì)算可知其采樣點(diǎn)為13/16=81.25%。

2.6 終端電阻測(cè)試

CAN協(xié)議規(guī)定了CAN網(wǎng)段的電阻是60Ω，通常將終端電阻內(nèi)置于CAN總線兩個(gè)最遠(yuǎn)端的CAN節(jié)點(diǎn)中（稱為終端節(jié)點(diǎn)），各為120Ω，并聯(lián)后即滿足總線電阻為60Ω的要求。對(duì)于非終端節(jié)點(diǎn)，通常要求其CAN_H與CAN_L之間的電阻大于13kΩ，以確保其不會(huì)拉低CAN總線的電阻。測(cè)試時(shí)，需要將DUT供電斷開(kāi)，使用萬(wàn)用表測(cè)量CAN_H與CAN_L之間的電阻，依據(jù)其是否為終端節(jié)點(diǎn)，判斷DUT的電阻是否滿足要求。

3 數(shù)據(jù)鏈路層測(cè)試

3.1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)測(cè)試

1939協(xié)議中對(duì)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)作了明確定義，如幀起始位（SOF）、仲裁場(chǎng)（Arbitration Field）、控制場(chǎng)（Control Field）、數(shù)據(jù)場(chǎng)（Data Field）、CRC場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)（Ack Field）、幀結(jié)束位（EOF）等，DUT應(yīng)正確發(fā)送。使用CAN示波器獲取CAN電壓波形監(jiān)測(cè)DUT發(fā)送CAN報(bào)文，將所有CAN報(bào)文的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)逐個(gè)位與1939協(xié)議進(jìn)行逐一核對(duì)，確保數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)發(fā)送正確。

3.2 報(bào)文DLC測(cè)試

DUT系統(tǒng)通訊矩陣定義了DUT中所有報(bào)文的DLC，即數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，測(cè)試時(shí)，使用CAN測(cè)試工具監(jiān)測(cè)DUT發(fā)送報(bào)文，核對(duì)各報(bào)文DLC是否與系統(tǒng)通訊矩陣定義一致。

3.3 傳輸協(xié)議測(cè)試

單幀CAN報(bào)文的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最大為8個(gè)字節(jié)，當(dāng)需要傳輸?shù)膱?bào)文數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超過(guò)8個(gè)字節(jié)時(shí)，需要依據(jù)傳輸協(xié)議相關(guān)定義發(fā)送。發(fā)送節(jié)點(diǎn)、接收節(jié)點(diǎn)在經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的打包和重組后，即可得到原報(bào)文的數(shù)據(jù)內(nèi)容。目前，行業(yè)內(nèi)在傳輸協(xié)議上的應(yīng)用，主要采用TP.CM_BAM報(bào)文、TP.DT報(bào)文以全局廣播的方式發(fā)送。傳輸協(xié)議的測(cè)試主要涉及TP.CM_BAM報(bào)文幀格式、TP.DT報(bào)文幀格式、及全局廣播定時(shí)測(cè)試。測(cè)試時(shí)，依據(jù)DUT的故障觸發(fā)邏輯制造兩個(gè)以上的故障，如此DUT發(fā)送的DM1報(bào)文中包含兩個(gè)故障碼，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度將超過(guò)8個(gè)字節(jié)，DUT會(huì)通過(guò)TP.CM_BAM報(bào)文、TP.DT報(bào)文發(fā)送DM1故障碼，使用CAN測(cè)試工具監(jiān)測(cè)TP.CM_BAM報(bào)文、TP.DT報(bào)文，得到幀格式、定時(shí)參數(shù)，再確認(rèn)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

4 交互層測(cè)試

4.1 周期型報(bào)文測(cè)試

此項(xiàng)測(cè)試目的是為了確認(rèn)DUT發(fā)送的Cycle類型報(bào)文發(fā)送周期是否穩(wěn)定。將DUT上電待網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，使用CAN測(cè)試工具持續(xù)監(jiān)測(cè)DUT發(fā)送的Cycle類型報(bào)文1min以上，計(jì)算出發(fā)送周期的平均值、最小值、最大值，通常要求發(fā)送周期偏差不超過(guò)±10%。

4.2 事件型報(bào)文測(cè)試

此項(xiàng)測(cè)試目的是為了確認(rèn)DUT發(fā)送的Event類型報(bào)文重復(fù)發(fā)送次數(shù)、間隔時(shí)間是否符合要求。將DUT上電待網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，依據(jù)Event類型報(bào)文的發(fā)送邏輯觸發(fā)此類型報(bào)文的發(fā)送，使用CAN測(cè)試工具監(jiān)測(cè)DUT發(fā)送的事件型報(bào)文，通常要求此類型報(bào)文觸發(fā)后重復(fù)次數(shù)為3，間隔時(shí)間為50ms。

4.3 不同報(bào)文的延遲時(shí)間測(cè)試

為避免總線負(fù)載率的突變，要求同一CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送的不同報(bào)文有一定的時(shí)間間隔。使用CAN測(cè)試工具持續(xù)監(jiān)測(cè)DUT發(fā)送的所有報(bào)文1min以上，計(jì)算出不同報(bào)文之間的最小發(fā)送間隔時(shí)間，此間隔時(shí)間即為不同報(bào)文的延遲時(shí)間，通常要求大于2ms。

5 CAN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著整車電器功能的增加，電器架構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，整車可靠性路試、售后反饋偶發(fā)嚴(yán)重低頻率問(wèn)題也隨之增多，此類故障往往無(wú)規(guī)律可循，這對(duì)整車CAN網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。由此，傳統(tǒng)單個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試已無(wú)法滿足驗(yàn)證需求。目前行業(yè)內(nèi)多家整車企業(yè)已引入CAN網(wǎng)絡(luò)集成測(cè)試機(jī)柜，將整車所有CAN節(jié)點(diǎn)按整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯钶d于此機(jī)柜，更好地模擬了整車的通訊環(huán)境，并且采用自動(dòng)化測(cè)試，能更有效地發(fā)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)在穩(wěn)定性、可靠性方面的問(wèn)題，CAN網(wǎng)絡(luò)集成測(cè)試機(jī)柜將成為零部件CAN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試、整車網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的有效補(bǔ)充。

6 結(jié)束語(yǔ)

CAN網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)指標(biāo)的符合性、穩(wěn)定性是汽車電器功能可靠實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，整車廠、各級(jí)供應(yīng)商均應(yīng)對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試引起足夠重視。尤其是整車廠，加大測(cè)試設(shè)備投資、完善測(cè)試體系、提高測(cè)試技術(shù)、引入技術(shù)型人才，全方位提升CAN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試水平，對(duì)汽車產(chǎn)品綜合競(jìng)爭(zhēng)力的提升具有重要意義。

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