原创 CAN总线系统测试技术

CAN总线系统测试技术

引 言[1].[2]

        随着汽车电子技术的发展，汽车上所用的电控单元不断增多，电控单元之间信息交换的需求促进了车用总线技术的发展。CAN总线即控制器局域网总线，由Bosch公司于1981年制定，主要目的为用作汽车的高速动力总线、中速车身总线等。由于CAN总线具有可靠性高、实时性好、成本合理等优点，逐渐被广泛应用于其他领域中，例如船舶、航天、工业测控、工业自动化、电力系统、楼宇监控等，成为了广泛使用的现场总线之一。基于CAN总线协议，还发展出CANopen、J1939、DeviceNet等多种上层总线协议。

        CAN是一种开放式多主站线性结构的总线，使用双绞线作为连接介质连接所有节点,最高传输速率为1Mbit/s。 CAN总线使用载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)技术这种非破坏性的总线仲裁方式，避免多个节点同时开始发送消息而造成总线冲突，保证优先级高的报文能够优先发送而不需要额外的时间开销。CAN协议不对节点进行地址规定，而是使用报文的标识符来指定报文的优先级以及报文的内容。同时，CAN总线协议提供了完善的错误检测与错误处理机制，包括了CRC检测、错误报文自动重发、错误状态判断、临时错误自动恢复、永久错误自动错误节点等措施，从而很好的保证了系统数据一致性。

                                                                                            图1 系统开发流程

1 CAN总线开发流程[3]

        随着CAN总线技术应用在国内各个行业中广泛使用，CAN总线开发流程及开发方法也日益成为关注的重点。目前，基于开发－验证思想的V型开发流程被广泛用于CAN总线的开发过程中，如图1所示。

        OEM厂商首先定义CAN总线系统需求，并进行系统构架设计，然后由供应商根据OEM厂商提出的需求，分析节点 ECU的需求并进行节点设计，再进行软硬件实现以及节点ECU集成，最后对ECU进行测试验证。供应商将所设计的节点ECU提供给OEM厂商，由OEM厂商进行CAN总线系统的集成，并对系统进行确认，才能形成最终的产品。

        在V开发流程中，测试始终贯彻着整个开发流程，以在开发过程中能尽早的发现设计问题。供应商在节点ECU开发的最后阶段，需要对所开发的ECU进行验证，检查所开发的产品是否符合所需的设计规范，即“是否正确的做了产品”。而OEM厂商在获得供应商提供的各个节点 ECU后，进行系统集成，需要对CAN总线系统进行确认，检查是否符合原始的需求，即“是否设计了正确的产品”。

        因此，无论对于供应商开发单节点ECU还是OEM厂商对整个系统进行集成，都需要对节点以及总线系统进行CAN总线测试，以完成验证与确认的工作。

2 CAN总线测试

        CAN总线测试内容可以分为单节点测试和总线系统集成测试两部分。在每个节点连接到CAN总线网络之前都需要进行单节点测试，用以确定节点工作正确并且不会干扰总线的正常通讯。总线系统集成测试则是将各个节点都连接形成完整的CAN总线系统，对系统进行测试以验证系统运行的完整性及正确性、系统的通讯鲁棒性、电器鲁棒性以及系统的容错自恢复功能等。

        进行CAN总线测试过程，首先需要制定测试规范，然后根据该测试规范编写测试案例，构建测试环境，并进行测试实现，最终将测试所得的数据进行分析，形成测试报告。

2.1 CAN总线测试规范

        由于CAN总线基本协议的灵活性，目前并没有一个统一的完整覆盖CAN总线各个通讯层次的测试规范，而作为CAN总线技术使用最广泛的汽车行业，各个汽车厂商也只是自行定义其轿车CAN总线协议，并根据该协议制定各自的测试规范。

        因此制定CAN总线的测试规范，必须从相关的设计需求和规范文档中提取测试需求，这些文档可以包括CAN协议、总线系统设计时所依据的标准或协议(例如ISO11898或J1939)、系统设计的需求、系统的诊断协议、以及其他行业性通讯规范。根据所提取的测试需要，将各个需求点对应为测试案例组。

        将每组测试案例组在各测试节点上的实施称为测试案例。每个测试案例根据测试实现的过程，细分为一系列的测试步骤。对于每个测试案例，在测试结束时，都会存在一个测试结果，用以确定测试案例所对应的节点是否通过该测试需求点的测试。每个测试案例中，除了包含测试步骤的内容外，还包括了测试条件和测试环境两部分内容。测试条件是测试案例实施之前，被测单元所需要具备的条件，例如系统已经处于正常通讯等。而测试环境则是测试过程中，需要提供给被测单元的外部环境，例如供电电压、信号线的连接情况等。

2.2 CAN总线测试内容

        CAN总线测试内容可以按照通讯层次划分为物理层测试、数据链路层测试、应用层测试等内容。

        物理层测试主要目的是验证节点及系统在电路设计、物理电平特性等方面的性能，这是保证节点能够正确连接入总线的基础。测试主要包括了节点的电阻电容特性、节点差分电阻、总线终端电阻、CAN线上的物理电平特性等方面。

        数据链路层测试则包括了位定时测试、采样点测试、SJW测试等内容，该测试内容主要用以保证各个节点的通讯参数能够保持一致性，所组成的网络能够正常有效的工作。

        应用层测试则包括了上层应用层协议的测试、网络管理功能的测试以及故障诊断测试等方面的内容。其包括的内容可以是：数据库使用正确性测试、通讯周期准确性测试、节点休眠唤醒功能测试、网络管理功能测试、网关测试、错误帧频率测试、电压影响测试、总线物理故障测试、节点故障自恢复能力测试、通讯失败的故障诊断功能测试等内容。由于CAN总线使用背景的不同，其应用层的内容也有很大差别，因此应用层测试的内容也存在较大差异，需要根据项目的设计需求以及设计文档仔细制定应用层测试的内容。值得注意的是，对于CAN总线网络测试，其应用层测试一般不涉及功能测试的范围，功能测试一般属于ECU测试的范畴。

2.3 CAN总线测试方法

图2所示为基于Vector公司提供的CAN总线测试工具所组建的CAN总线测试系统。

                                                                                 图2 CAN总线测试系统

        在系统中被测单元与模拟被测单元应用背景的仿真器相连，通过仿真器可以模拟出被测单元在真实应用中的运行环境。而被测系统的CAN线则通过CAN硬件接口连接到测试软件CANoe上，CANoe还可通过IO接口电缆IOcab获取被测单元的IO信号。

        被测单元的供电则由供电系统提供给仿真器，再由仿真器提供给被测系统，与真实系统的供电模式相同。CANoe软件可以通过其接口来控制供电系统，从而可以方便的改变被测单元的供电电压，实现CAN总线测试环境。

        测试过程中，使用Vector公司提供的干扰仪CANstress，以制造出测试所需的干扰信号以及总线故障等测试环境。而系统中所连接的网络示波器CANscope可以在物理层测试中捕捉CAN总线的物理信号。

        在测试过程中，Vector提供的测试软件CANoe可以观测总线通讯的报文以及信号，并检测总线的错误帧、总线负载率等信息。另外，CANoe还提供了测试软件包，能够使用扩展的编程功能编写测试流程,控制CANstresss、CANscope等工具，并支持 XML编写的测试脚本，实现自动化测试流程，将测试结果自动生成XML和HTML测试报告。

3 CAN网络测试案例

        根据上述的CAN网络测试系统，进行了物理层的采样点测试。测试结果如图3所示。

        图3 (a)所示为被测单元正常通讯情况下，使用CANscope捕捉到数据场第一个隐性位。使用CANstress将该位75%后干扰为显性电平，使用 CANscope捕捉总线报文，没有出现错误帧，如图3(b)所示。同样条件下，将该位68.75%后的电平干扰为显性位，使用CANscope捕捉总线报文，出现了错误帧，如图3(c)所示。由此可以得出结论，被测单元的采样率为75%。

(a)无干扰情况下的位电平

(b)干扰电平在75％后－无错误帧

(c)干扰电平在68.75%后－有错误帧

图3 采样点测试

        图4所示为应用层测试中，CAN-H线与电源短路测试的测试结果。图4(a)所示为使用CANstress将 CAN-H线设置为与电源短路。图4(b)所示为CANoe在该测试过程中总线的通讯情况，在被测条件下总线没有出现错误帧。使用CANscope观测，由于CAN-H与电源短路，CAN-H电平表现为恒高，而差分电平信号仍足够保证CAN总线的正常通讯，因此没有出现错误帧。

(a)CANstress设置CAN-H与电源断路



(b)CANoe检测网络无错误帧



(c)CANscope观测总线电平情况

图4 CAN-H与电源断路情况下的系统通讯测试

4 总结

        随着CAN总线在国内应用的日益广泛，CAN总线测试技术将越发重要。CAN总线测试规范是CAN 总线测试的核心，需要根据相关的CAN协议规范以及CAN总线设计需求进行制定。另外，在缺乏统一测试规范以及参考资料的条件下，还需要在CAN总线开发过程中积累经验，逐步制定并完善CAN总线的测试规范。国外先进的CAN总线设计及测试工具也可以促进CAN总线测试能力迅速形成。