摘要：随着人们对于汽车的安全性能及操控性的要求趋向高标准，汽车电子测试平台作为测试和监控汽车使用性能的重要支撑，其CAN总线的实时性和可靠性是关系电子测试平台数据传输效率及实时监控性，为此，本文将以CAN总线技术的特点为切入点，分析实时性与可靠性中存在的问题及改进方法。
关键词：汽车电子测试平台；CAN总线；实时性；可靠性
我国传统车用网络、总线、通讯协议的研究起步较晚，基础相当薄弱，目前在国家“十五”863计划的支持下，CAN总线在各电动汽车整车中得到广泛应用。在自主研发电动汽车的过程中，充分借鉴、吸收国外的经验，制定出电动汽车用网络、总线、通信协议，可更快地提升我国在此方面的技术水平。
一、CAN总线
20世纪80年代Bosch公司为解决汽车系统中各个电子单元之间的通信问题开发了CAN（Contro||erArea Network）总线标准。这种串行总线用一根或两根电线把汽车里的各个电子设备连接起来，相互可以传递信息。采用CAN总线避免了电子模块间大量繁复的连线，比如仪表板上车速、发动机转速、油量和发动机温度的指示就不再需要连接不同的线缆到对应的传感器，而只需要接入CAN总线，便可以从总线上获取相应信息。CAN的卓越表现使汽车制造商们纷纷开发并使用基于CAN和数据采集设备的测试系统。国际标准组织将CAN总线接纳为lSO 11898标准。NationaI Instruments公司在其标准虚拟仪器测试平台上推出CAN控制器系列，支持多种CAN总线的协议，其中包括高速CAN、低速容错CAN、和单线CAN。尤其是新推出的PXI～8464软件可选类型CAN控制器，可以帮助用户不用更改硬件连接，就适应各种CAN通信协议，同时既可以作为总线控制器，又可以作总线通信分析仪，使得测试设备可以在最大程度上适应柔性生产。
二、汽车CAN总线测试平台构建
测试平台的构建以满足汽车CAN总线测试为主要目标，它不覆盖电控单元的功能测试。测试平台的构建以平台化为根本，它分为部件级测试和系统级测试两个类别，部件级测试是系统级测试的基础。测试平台的构建应能够兼容不同的电控单元的CAN总线通信协议各自的特点。同时为了提高测试效率，满足大量回归测试的需求，测试平台以实现自动化测试为重要目标。
1．测试平台硬件构建。测试平台的硬件构成以德国Vector公司的总线测试工具为核心，主要包括CAN总线通信接口模块CANcaseXL、CAN总线示波器CANScope、CAN总线干扰仪CANStress、可编程电源、信号通断转接盒等工具设备
2.测试平台软件开发。首先根据CAN网络设计规范编制测试规范，然后定义测试用例，最后以测试规范和测试用例为基础进行测试软件的开发。（1）测试用例定义。测试用例主要用来描述每一个测试项目，主要包括测试目的、前提条件、测试步骤和测试通过与否的判断条件。（2）测试程序设计。测试程序的开发以自动化测试为目标，主要包括测试程序脚本和人机交互接口（HMI）两部分。程序开发工具主要基于CAN网络测试软件CANoe。该软件集成了测试编程语言CAPL（CANaccessprogramminglanguage）和人机交互界面设计Panel Editor等多项工
具的集成化CAN总线测试工具。CAPL是一种和c语言类似的编程语言，用它可以对每一个虚拟的控制系统进行编程。CAPL语言程序是基于事件触发的程序，可由总线事件、键盘事件或时间事件实现触发功能。同时，在CANoe中集成了大量可以由CAPL语言直接调用的用于控制CAN网络的系统函数，为整个测试功能的实现提供了极大的便捷性。本测试系统的测试程序脚本，主要通过CAPL语言编程实现。人机交互界面设计工具Panel Editor集成了诸如开关、车窗、仪表盘、点火开关、门锁和按钮等大量的图形控件，它以环境变量为媒介，将图形控件与对应的信号及变量相链接，实现了形象化的图形界面。测试程序的运行集成于CANoe软件，它运行于PC机，通过CAN总线通信模块CANcaseXL与CAN总线实现物理通信。
三、CAN总线实时性问题及改进方法
1.实时性问题。汽车电子测试平台在网络负载较大时，信息碰撞概率增加，CAN总线如若扔依照基本CAN协议传输数据，在有限的一个信道内，高优先级的消息将优先传输，而低级的则可能因为信息碰撞而只是信息帧持续延时，甚至阻碍传输，最终该信息将会退出总线竞争归于无线，影响了其实时性，严重时可能影响整个测试平台的运行，为此，优化CAN总线的实时性成为了紧迫之需。
2.实时性的改进方法。汽车电子测试平台中CAN总线会预留一些优先级较高的报警信息节点，而若仍沿用以往静态优先级的调度制度，而报警节点优先级又较低，则其在总线上传输与其他优先级较高的节点竞争时总线使用权会丧失，信息将重复传输，增加了传输时间，甚至会实效，根据该种事件触发型的非周期性数据提出了优先级晋升的方法，该方法将CAN信息帧的仲裁域分离为信息帧优先级部分和标识地址符部分，结合需求可提升不同协议帧的优先级，以提升总线的实时性。而针对信息碰撞中低优先级信息的时延，为了减少信息碰撞问题，提升信道的充分利用率，提出了时分多路复用的方法，其以信道传输时间作为分隔对象，将一个有限的信道分为不相重叠的时间片，并分配给CAN各个节点，由此便可实现多路信号在单一物理信道中的传输，各个信道在所属的时间片内，可适用物理信道的全部宽带，但这种方法主要适用于信息传输周期较强的，CAN节点的动作均是时间出发的周期性数据，可定义相关的调度表并据此来对节点动作进行分配，达到预设时间后，CAN节点须执行相应的动作，时间调度表与节点动作时间执行如1所示。
四、CAN总线可靠性问题及改进方法
1.可靠性问题。汽车电子测试平台中的CAN总线的可靠性与实时性存在一致性，两者的优势性均是在特定条件下的相对标准，CAN可靠性存在其自身的问题，汽车行驶过程中常伴有高压、高温及电子干扰等现象，该种负面环境会对CAN总线网络及内置的电子设备可靠性造成一定的负面影响，进而降低通信的可靠性，但也存在不受影响的情形，针对此，目前硬件的冗余设计是最常采用的方法。
2.可靠性改进方法。针对高温、高压及高电磁干扰引发的通信可靠性问题，可通过硬件冗余数学模型的构建提升通信可靠性，也即在系统故障时，冗余硬件可替代故障部件保证通信的正常，根据汽车电子平台中CAN总线通信系统的构成，其主要由总线、微控制器、独立CAN控制器、CAN收发器（驱动器）等多个部分构成，但归结分类，可将CAN总线的硬件冗余方式划分为两种主要类型，也即：总线级系统冗余和部件级冗余。总线级冗余是指整个CAN总线通信系统存在严重的可靠性问题，需要对其进行冗余设计，而部件级冗余则只是针对微控制器、收发器等一个或是几个构件进行的冗余设计，本文将以后者为研究重点，如独立CAN控制器冗余设计，其包含总线、独立CAN控制器、收发器及微控制器，数量均为2个，微处理器对2个独立CAN控制器的控制是借助不同端口和中断方式完成的，且利用微控制器可给予2个CAN控制器不同优先级的中断源，主从CAN控制器微分别定义中断优先级高和低的CAN控制器，主CAN控制器出现异常才启动从CAN控制器，以此规避数据丢失，同理，而收发器、微控制器等部件冗余设计遵循同样的原理。
汽车内部网络总线负载的增加，降低了其安全性和可操控性，为此，迫切需要汽车电子测试平台以监控功能参数，而CAN总线作为电子平台正常通信的必要支撑，得以深化应用，但也面临着实时性和可靠性的问题。
参考文献：
[1]李浩．混合动力汽车CAN总线通信系统的设计与测试[J]．交通信息与安全，2015（5）：109—112．
[2]龚倩．基于CAN总线的测试系统研究与设计[D]．南京航空航天大学，2015．
论文作者:张海绅
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/5
标签：总线论文; 测试论文; 冗余论文; 优先级论文; 平台论文; 控制器论文; 可靠性论文; 《电力设备》2019年第4期论文;