CAN總線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試研究

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已成為當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。1991年9月，Philips Semiconductors公司制訂并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范(V2.0)，該規(guī)范包括A、B兩部分。此后，1993年11月，ISO正式頒布了道路交通運(yùn)載工具——數(shù)字信息交換——高速通信控制器局域網(wǎng)(CAN)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898。CAN是一種多主從方式的串行數(shù)據(jù)通信總線，傳輸速率高，抗電磁干擾性強(qiáng)，能檢測(cè)通信錯(cuò)誤。作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的網(wǎng)絡(luò)通信控制方式已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)自動(dòng)化領(lǐng)域，如汽車工業(yè)、工程機(jī)械、航空工業(yè)，被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一[1]。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開發(fā)是在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議定義的框架下，對(duì)總線涉及的多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換的過程進(jìn)行控制，涉及各個(gè)設(shè)備本身對(duì)數(shù)據(jù)交換的需求和響應(yīng)，系統(tǒng)復(fù)雜，按照其功能可以劃分為：總體設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和測(cè)試驗(yàn)收?？傮w設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能定義，傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)、仿真，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)模型的建立和仿真，提出各節(jié)點(diǎn)的功能描述，包括節(jié)點(diǎn)電氣特性和功能特性，并交付各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)；節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)則根據(jù)提出的節(jié)點(diǎn)功能描述進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的開發(fā)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)，并協(xié)助其他開發(fā)人員完成對(duì)本節(jié)點(diǎn)設(shè)備的調(diào)試和測(cè)試。測(cè)試驗(yàn)收根據(jù)網(wǎng)絡(luò)功能定義描述，制定網(wǎng)絡(luò)功能測(cè)試流程，建立網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)收和全網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)。

統(tǒng)一的開放式平臺(tái)使得CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員和其他開發(fā)人員（如軟件工程師，測(cè)試工程師等）共享成果，減少了重復(fù)工作，加快了開發(fā)進(jìn)度。此外，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)之前，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和各節(jié)點(diǎn)功能進(jìn)行全網(wǎng)絡(luò)仿真，可以在設(shè)計(jì)的最初階段發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤或者疏漏；在硬件平臺(tái)搭建之前進(jìn)行功能仿真，減少了節(jié)點(diǎn)設(shè)備開發(fā)階段由于軟件設(shè)計(jì)缺陷帶來(lái)的時(shí)間和資源的浪費(fèi)；軟件仿真階段的成果可以直接用于對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的測(cè)試檢查。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)體構(gòu)建完成前，通過CAN總線接口設(shè)備和殘余總線技術(shù)，對(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)物仿真。

1 CAN總線節(jié)點(diǎn)組成和功能

CAN總線節(jié)點(diǎn)位于傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)所在的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、控制和通信功能。典型CAN節(jié)點(diǎn)一般包括總線收發(fā)器和協(xié)議控制器、主控制器，以及傳感器和執(zhí)行器，如圖1所示。CAN協(xié)議通信由總線收發(fā)器和總線控制器完成，協(xié)議控制器完成CAN協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）的報(bào)文分幀、仲裁應(yīng)答、錯(cuò)誤檢測(cè)和標(biāo)定，以及邏輯鏈路控制子層（LLC）的報(bào)文過濾、過載通知、恢復(fù)管理等具體服務(wù)；總線收發(fā)器完成CAN協(xié)議物理層功能，是CAN控制器和物理傳輸線路之間的接口。許多CAN節(jié)點(diǎn)采用了總線收發(fā)器（PCA82C250）、協(xié)議控制器（SJA1000）和主控制器（51系列單片機(jī)）方案，也有不少節(jié)點(diǎn)采用了內(nèi)嵌協(xié)議控制器的微處理器（P8XC592/ARM）和數(shù)字信號(hào)處理器（TMS320F2407F）方案。

2 CAN總線測(cè)試平臺(tái)的組成

本文采用了Vector公司出品的CAN總線開發(fā)測(cè)試集成環(huán)境和工具構(gòu)建了開放式開發(fā)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)由3個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，優(yōu)化總線參數(shù)，提高了CAN通信抗干擾能力。CAN總線測(cè)試網(wǎng)絡(luò)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程傳輸節(jié)點(diǎn)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)控制器采用TMS320F2407（內(nèi)嵌CAN控制器），驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)功能，發(fā)送電機(jī)轉(zhuǎn)角編碼和瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩電流信息報(bào)文；遠(yuǎn)程傳輸節(jié)點(diǎn)是一個(gè)CAN/GPRS的網(wǎng)關(guān)，功能是將報(bào)文信息轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)則是一個(gè)基于PC和虛擬儀器（LabVIEW）的操作面板，轉(zhuǎn)換并顯示報(bào)文的物理量信息，同時(shí)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。

CAN總線測(cè)試環(huán)境和工具包括總線記錄儀、總線干擾儀和開發(fā)測(cè)試仿真環(huán)境[2-4]?？偩€記錄儀和總線干擾儀作為節(jié)點(diǎn)接入測(cè)試總線，如圖2所示。其中總線記錄儀（Vector CANcaseXL）接收、錄制、存儲(chǔ)和評(píng)估不同的CAN總線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和報(bào)文，記錄其工作狀態(tài)和故障情況，便于在隨后的回放中分析故障原因，提出優(yōu)化改進(jìn)的方法和措施；總線干擾儀（Vector CANStressDR）生成總線信號(hào)、總線物理屬性和邏輯電位的各種干擾，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬實(shí)際工況中可能出現(xiàn)的斷路、短路，模擬不同長(zhǎng)度的傳輸電纜，也可對(duì)報(bào)文特定位進(jìn)行干擾以檢查總線的抗干擾能力；開發(fā)測(cè)試仿真環(huán)境（Vector CANoe）集成了總線開發(fā)和測(cè)試，通過定義報(bào)文數(shù)據(jù)庫(kù)，觀測(cè)報(bào)文數(shù)據(jù)并換算為相應(yīng)的物理量顯示。通過仿真總線和實(shí)際總線的切換，不僅可以測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，還可對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行回放分析，分析查找故障原因。

3 CAN總線位定時(shí)參數(shù)的計(jì)算

在CAN通信協(xié)議中，波特率、每個(gè)位周期的采樣位置和個(gè)數(shù)都可以自行設(shè)定，CAN總線上不同節(jié)點(diǎn)之間通過約定的通信速率進(jìn)行通信，通過調(diào)整位定時(shí)參數(shù)可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信性能，例如，位周期內(nèi)的采樣位置偏后，能容忍較大的信號(hào)傳輸延遲，即總線傳輸距離可以延長(zhǎng)；取樣位置接近中間，則可以容忍CAN總線上節(jié)點(diǎn)間參考時(shí)鐘的誤差，顯然兩者是矛盾的，為了協(xié)調(diào)這種矛盾，必須對(duì)位定時(shí)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。常用的通信速率有100 kb/s、125 kb/s、250 kb/s、500 kb/s和1 Mb/s等，對(duì)于常用的波特率，在一些CAN總線通信測(cè)試軟件中可以通過列表框進(jìn)行選擇，對(duì)一些特殊的波特率，如本實(shí)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采用了66.7 kb/s的通信速率，又或雖然是常用的波特率，但出于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信性能的需要，選擇特定的位定時(shí)參數(shù)時(shí)，就要計(jì)算并通過總線時(shí)序寄存器設(shè)置位定時(shí)參數(shù)。
總線時(shí)序寄存器BTR0和BTR1定義如表1、表2所示。

位定時(shí)參數(shù)按式(1)計(jì)算[5-6]：

4 CAN總線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

首先利用開發(fā)測(cè)試仿真環(huán)境（CANoe）定義CAN總線測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示，其中Door Controller表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，Performance Meter代表狀態(tài)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，Remote Gateway代表遠(yuǎn)程傳輸節(jié)點(diǎn)；系統(tǒng)則自動(dòng)生成Basic CAN代表總線，以及Bus Scope總線記錄儀和Replay Block總線回放“虛擬”節(jié)點(diǎn)。采用CANcaseXL記錄運(yùn)轉(zhuǎn)過程中總線上的報(bào)文信息和總線負(fù)載，并在CANoe環(huán)境下進(jìn)行回放、分析，如圖4所示。

CAN總線在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，其總線長(zhǎng)度、總線負(fù)載、終端電阻、環(huán)境各不相同，導(dǎo)致無(wú)法針對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行優(yōu)化，提高數(shù)據(jù)通信的可靠性。利用本文所述的測(cè)試工具和平臺(tái)，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行記錄回放，或在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬測(cè)試，幫助開發(fā)人員和測(cè)試人員盡可能準(zhǔn)確地定位故障，從而提高開發(fā)的效率。本文的模擬測(cè)試結(jié)果表明，電氣和參數(shù)對(duì)CAN總線上通信性能影響較大，通過測(cè)試工具模擬發(fā)現(xiàn)，終端電阻對(duì)提高通信質(zhì)量，降低報(bào)文差錯(cuò)影響較大。通過測(cè)試工具分別模擬了CAN總線短路、75 Ω、120 Ω、開路等終端電阻，通信過程中正確幀和錯(cuò)誤幀速率測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示，可以看出終端電阻為120 Ω時(shí)通信差錯(cuò)率最小。

參考文獻(xiàn)

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