CAN總線系統測試技術簡介

【摘 要】 CAN總線作為現場總線的一種，在汽車、船舶、航天、工業測控與工業自動化等領域已經得到廣泛的應用。CAN總線開發流程中，需要對所開發的CAN總線系統進行節點以及總線系統的驗證與確認，本文主要介紹了網絡測試驗證的內容，實現測試的工具與測試技術。
【關鍵字】 CAN總線 網絡測試 驗證 確認

CAN Bus Testing Technology
Wu Yanan
(Beijing Jingwei Hirain Technology Ltd. Beijing 100107)

Abstract: As one kind of fieldbus, the CAN bus is widely used in Automobile, Ship, Aerospace, industrial controlling and automatization. During the development processes of CAN bus, the verification and validation are the important steps for the CAN bus system. The testing specification is discussed here, and the testing tools and testing technology are introduced.
Keywords: CAN(Controller Area Networks) Testing Verification Validation


引 言[1].[2]

隨著汽車電子技術的發展，汽車上所用的電控單元不斷增多，電控單元之間信息交換的需求促進了車用總線技術的發展。CAN總線即控制器局域網總線，由Bosch公司于1981年制定，主要目的為用作汽車的高速動力總線、中速車身總線等。由于CAN總線具有可靠性高、實時性好、成本合理等優點，逐漸被廣泛應用于其他領域中，例如船舶、航天、工業測控、工業自動化、電力系統、樓宇監控等，成為了廣泛使用的現場總線之一。基于CAN總線協議，還發展出CANopen、J1939、DeviceNet等多種上層總線協議。

CAN是一種開放式多主站線性結構的總線，使用雙絞線作為連接介質連接所有節點,最高傳輸速率為1Mbit/s。CAN總線使用載波偵聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)技術這種非破壞性的總線仲裁方式，避免多個節點同時開始發送消息而造成總線沖突，保證優先級高的報文能夠優先發送而不需要額外的時間開銷。CAN協議不對節點進行地址規定，而是使用報文的標識符來指定報文的優先級以及報文的內容。同時，CAN總線協議提供了完善的錯誤檢測與錯誤處理機制，包括了CRC檢測、錯誤報文自動重發、錯誤狀態判斷、臨時錯誤自動恢復、永久錯誤自動錯誤節點等措施，從而很好的保證了系統數據一致性。

圖1 系統開發流程

1 CAN總線開發流程[3]

隨著CAN總線技術應用在國內各個行業中廣泛使用，CAN總線開發流程及開發方法也日益成為關注的重點。目前，基于開發－驗證思想的V型開發流程被廣泛用于CAN總線的開發過程中，如圖1所示。

OEM廠商首先定義CAN總線系統需求，并進行系統構架設計，然后由供應商根據OEM廠商提出的需求，分析節點ECU的需求并進行節點設計，再進行軟硬件實現以及節點ECU集成，最后對ECU進行測試驗證。供應商將所設計的節點ECU提供給OEM廠商，由OEM廠商進行CAN總線系統的集成，并對系統進行確認，才能形成最終的產品。

在V開發流程中，測試始終貫徹著整個開發流程，以在開發過程中能盡早的發現設計問題。供應商在節點ECU開發的最后階段，需要對所開發的ECU進行驗證，檢查所開發的產品是否符合所需的設計規范，即“是否正確的做了產品”。而OEM廠商在獲得供應商提供的各個節點ECU后，進行系統集成，需要對CAN總線系統進行確認，檢查是否符合原始的需求，即“是否設計了正確的產品”。

因此，無論對于供應商開發單節點ECU還是OEM廠商對整個系統進行集成，都需要對節點以及總線系統進行CAN總線測試，以完成驗證與確認的工作。

2 CAN總線測試

CAN總線測試內容可以分為單節點測試和總線系統集成測試兩部分。在每個節點連接到CAN總線網絡之前都需要進行單節點測試，用以確定節點工作正確并且不會干擾總線的正常通訊。總線系統集成測試則是將各個節點都連接形成完整的CAN總線系統，對系統進行測試以驗證系統運行的完整性及正確性、系統的通訊魯棒性、電器魯棒性以及系統的容錯自恢復功能等。

進行CAN總線測試過程，首先需要制定測試規范，然后根據該測試規范編寫測試案例，構建測試環境，并進行測試實現，最終將測試所得的數據進行分析，形成測試報告。

2.1 CAN總線測試規范

由于CAN總線基本協議的靈活性，目前并沒有一個統一的完整覆蓋CAN總線各個通訊層次的測試規范，而作為CAN總線技術使用最廣泛的汽車行業，各個汽車廠商也只是自行定義其轎車CAN總線協議，并根據該協議制定各自的測試規范。

因此制定CAN總線的測試規范，必須從相關的設計需求和規范文檔中提取測試需求，這些文檔可以包括CAN協議、總線系統設計時所依據的標準或協議(例如ISO11898或J1939)、系統設計的需求、系統的診斷協議、以及其他行業性通訊規范。根據所提取的測試需要，將各個需求點對應為測試案例組。

將每組測試案例組在各測試節點上的實施稱為測試案例。每個測試案例根據測試實現的過程，細分為一系列的測試步驟。對于每個測試案例，在測試結束時，都會存在一個測試結果，用以確定測試案例所對應的節點是否通過該測試需求點的測試。每個測試案例中，除了包含測試步驟的內容外，還包括了測試條件和測試環境兩部分內容。測試條件是測試案例實施之前，被測單元所需要具備的條件，例如系統已經處于正常通訊等。而測試環境則是測試過程中，需要提供給被測單元的外部環境，例如供電電壓、信號線的連接情況等。

2.2 CAN總線測試內容

CAN總線測試內容可以按照通訊層次劃分為物理層測試、數據鏈路層測試、應用層測試等內容。

物理層測試主要目的是驗證節點及系統在電路設計、物理電平特性等方面的性能，這是保證節點能夠正確連接入總線的基礎。測試主要包括了節點的電阻電容特性、節點差分電阻、總線終端電阻、CAN線上的物理電平特性等方面。

數據鏈路層測試則包括了位定時測試、采樣點測試、SJW測試等內容，該測試內容主要用以保證各個節點的通訊參數能夠保持一致性，所組成的網絡能夠正常有效的工作。

應用層測試則包括了上層應用層協議的測試、網絡管理功能的測試以及故障診斷測試等方面的內容。其包括的內容可以是：數據庫使用正確性測試、通訊周期準確性測試、節點休眠喚醒功能測試、網絡管理功能測試、網關測試、錯誤幀頻率測試、電壓影響測試、總線物理故障測試、節點故障自恢復能力測試、通訊失敗的故障診斷功能測試等內容。由于CAN總線使用背景的不同，其應用層的內容也有很大差別，因此應用層測試的內容也存在較大差異，需要根據項目的設計需求以及設計文檔仔細制定應用層測試的內容。值得注意的是，對于CAN總線網絡測試，其應用層測試一般不涉及功能測試的范圍，功能測試一般屬于ECU測試的范疇。

2.3 CAN總線測試方法

圖2所示為基于Vector公司提供的CAN總線測試工具所組建的CAN總線測試系統。

在系統中被測單元與模擬被測單元應用背景的仿真器相連，通過仿真器可以模擬出被測單元在真實應用中的運行環境。而被測系統的CAN線則通過CAN硬件接口連接到測試軟件CANoe上，CANoe還可通過IO接口電纜IOcab獲取被測單元的IO信號。

被測單元的供電則由供電系統提供給仿真器，再由仿真器提供給被測系統，與真實系統的供電模式相同。CANoe軟件可以通過其接口來控制供電系統，從而可以方便的改變被測單元的供電電壓，實現CAN總線測試環境。

測試過程中，使用Vector公司提供的干擾儀CANstress，以制造出測試所需的干擾信號以及總線故障等測試環境。而系統中所連接的網絡示波器CANscope可以在物理層測試中捕捉CAN總線的物理信號。

在測試過程中，Vector提供的測試軟件CANoe可以觀測總線通訊的報文以及信號，并檢測總線的錯誤幀、總線負載率等信息。另外，CANoe還提供了測試軟件包，能夠使用擴展的編程功能編寫測試流程,控制CANstresss、CANscope等工具，并支持XML編寫的測試腳本，實現自動化測試流程，將測試結果自動生成XML和HTML測試報告。

3 CAN網絡測試案例

根據上述的CAN網絡測試系統，進行了物理層的采樣點測試。測試結果如圖3所示。

圖3 (a)所示為被測單元正常通訊情況下，使用CANscope捕捉到數據場第一個隱性位。使用CANstress將該位75%后干擾為顯性電平，使用CANscope捕捉總線報文，沒有出現錯誤幀，如圖3(b)所示。同樣條件下，將該位68.75%后的電平干擾為顯性位，使用CANscope捕捉總線報文，出現了錯誤幀，如圖3(c)所示。由此可以得出結論，被測單元的采樣率為75%。

(a)無干擾情況下的位電平

(b)干擾電平在75％后－無錯誤幀

(c)干擾電平在68.75%后－有錯誤幀

圖3 采樣點測試

圖4所示為應用層測試中，CAN-H線與電源短路測試的測試結果。圖4(a)所示為使用CANstress將CAN-H線設置為與電源短路。圖4(b)所示為CANoe在該測試過程中總線的通訊情況，在被測條件下總線沒有出現錯誤幀。使用CANscope觀測，由于CAN-H與電源短路，CAN-H電平表現為恒高，而差分電平信號仍足夠保證CAN總線的正常通訊，因此沒有出現錯誤幀。

(a)CANstress設置CAN-H與電源斷路

(b)CANoe檢測網絡無錯誤幀

(c)CANscope觀測總線電平情況

圖4 CAN-H與電源斷路情況下的系統通訊測試

4 總結

隨著CAN總線在國內應用的日益廣泛，CAN總線測試技術將越發重要。CAN總線測試規范是CAN總線測試的核心，需要根據相關的CAN協議規范以及CAN總線設計需求進行制定。另外，在缺乏統一測試規范以及參考資料的條件下，還需要在CAN總線開發過程中積累經驗，逐步制定并完善CAN總線的測試規范。國外先進的CAN總線設計及測試工具也可以促進CAN總線測試能力迅速形成。

參考文獻

[1] 鮑官軍, 等. CAN總線技術、系統實現及發展趨勢. 浙江工業大學學報. 2003(1)
[2] Bosch. CAN Specification V2.0. 1991
[3] Siegfried Beeh. Testing with CANoe. Vector Congress. 2004