profibus总线 [基于CAN总线的电子控制单元功能测试方法]

　　文章编号:1001-9081(2012)01-0139-04 doi:10.3724/SP.J.1087.2012.00139 　　� 　　�摘 要:随着汽车电子市场的快速发展，汽车控制器的电子控制单元(ECU)已越来越多，对ECU的功能测试也变得日趋复杂。为解决车载ECU功能测试，研究了基于控制器局域网络(CAN)的ECU自动测试方法。以NI公司的软硬件为开发平台、CAN总线为通信平台搭建测试系统与被测ECU形成闭环结构。通过CAN总线传输测试信息，可实现对同型号ECU的批量测试。此系统采用了新的测试方法来降低测试误差，并支持ECU的流水线测试，大大降低了测试的复杂度，减少了工作量。同时，在完善仿真信号产生模块和测试模块用例库后，也能适用于其他类型ECU的功能测试。
　　
　　�关键词:
　　控制器局域网络；电子控制单元；批量测试；汽车电子；车载网络
　　�中图分类号: TP206.1 文献标志码:A
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　　Abstract: With the rapid development of automotive electronic market, more and more Electronic Control Units (ECU) for vehicle controller appear and the functional test also becomes more complex. In order to solve the problem of ECU functional test, the ECU�s automatic test method based on Controller Area Network (CAN) was studied. The system included the software and hardware platform of National Instrument (NI) and communication platform of CAN bus, by which the system and ECU formed a closed-loop structure. To transmit the test message through CAN bus, the system could achieve batch test of ECUs with the same type. By using the new test method, the system can reduce the test errors, and support assembly line test of ECU, which greatly reduces the complexity of ECU functional test and test work. At the same time, the system can also apply to other types of ECU functional test by improving the generation module of simulated signal and use case library.
　　
　　 Key words: Controller Area Network (CAN); Electric Control Unit (ECU); batch test; vehicle electronic; vehicle network
　　
　　0 引言�
　　随着汽车电子的不断发展，汽车已进入电子控制时代，其标志为电子控制单元(Electric Control Unit, ECU)的广泛应用。现如今，车辆上电控单元数量不断增加，功能越发复杂，多个处理器之间相互连接、协调工作并共享信息构成了汽车车载互联通信网络。其中控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)是汽车中应用较多的现场总线。其良好的实时性、可靠性和经济性能很好地满足汽车ECU之间数据通信的需要，已成为最有发展前景的现场总线之一［1-2］。因此，带CAN总线功能的ECU测试也将变得更加复杂。ECU功能测试属应用层功能测试范畴，是为了检测ECU是否符合给定的协议规范，能否进行正常的控制工作。这种测试在系统级开发中占据了很大的比重，成为应用层测试中最为关键的部分［3］。�
　　在传统的ECU功能测试中，一种方式是利用测试面板产生ECU各种信号后连接到ECU各输入引脚，触发它的各驱动模块进行控制工作，有专门的线路负责数据交换，但这样的测试系统随着传感器数量的增多，连线非常困难，且需要高速的数据采集和信号调理设备，使整体成本增加［4-5］；另一种则改进了信号的产生方式，即通过虚拟仪器模拟ECU的控制信号来代替传统的触发信号，采用人工对控制效果进行直接的观察和记录。这些测试方法都加大了测试过程中的测试误差、复杂度和测试工作量，且无法进行自动测试和结果的自动生成，也不能同时对多个ECU进行测试，给ECU厂商进行批量生产时带来很大的不便。�
　　由此，引发了对新的测试方法的思考和探索。基于CAN总线的ECU功能测试方法以CAN总线的传输作为关键技术，采用闭环测试方法对同型号的ECU进行自动和批量测试。�
　　
　　1 基于CAN总线的ECU功能测试介绍�
　　车载控制系统主要任务就是要解决车身电器设备的功能性问题，所以，首先应关注ECU是否能实现功能上的控制，即测试其是否满足控制协议的要求。ECU在控制功能上包括了通信服务功能、传送数据功能、诊断信息及标定信息功能、设备监控和网络管理功能等，具体的要求规范则由各ECU生产厂商自行制定。�
　　目前应用层协议制定分为以测试为重心的模式和以设计为重心的模式。不论哪种模式，控制器开发过程中，都需要通过测试来验证功能的正确性，确定ECU工作正常并不干扰总线正常通信［6］。�
　　由图1的控制器开发“V”模式图可见，控制器开发过程包括多个环节，其中的应用层功能测试是其重要组成部分，它包括ECU功能测试、网络管理功能测试、故障诊断测试等，是进行实车测试前的重要环节。在引入CAN总线后，将大大降低ECU功能测试的复杂度和测试工作量，是CAN总线测试的重要组成部分［7］。�
　　
　　在基于CAN总线的ECU测试系统中，通信网络是进行数据传输，实现各模块协调工作的桥梁［8］。利用LabVIEW［5,7,11］虚拟仪器产生仿真信号代替数据采集卡采集的真实信号，并在此基础上引入CAN总线作为测试的关键技术，充分发挥CAN总线在传输上的高可靠性和实时性等优点。通过总线对仿真信号的测试报文进行有效传输，如表1所示。�
　　
　　表1中：Message表示报文名称；ID表示报文仲裁场；DLC表示报文长度；Data表示报文数据。�
　　将报文与同型号ECU进行连接，形成闭环测试结构，模拟实车中ECU的各种传感器信号来驱动其进行控制工作（于3.2节详细描述），将仿真报文数据和CAN总线上反馈回来的ECU控制报文数据进行解析，提取出Data的值，并自动进行多次对比和测试后，在人机界面上对测试结果和各种信号量进行直观显示，并利用测试结果自动生成测试报告，优化和改进了传统的测试方法。�
　　
　　2 设计方案�
　　此方法采用仿真信号序列代替采集卡采集的真实信号，利用CAN总线的特点对数据进行传输，并将整个测试构建成闭环结构，大大降低测试的复杂性。�
　　
　　2.1 方法总体框架�
　　由CAN2.0协议可知，CAN报文的基本要素是报文ID、周期和信号与消息的映射关系。因此对ECU的协议功能测试，主要任务就是测试ID、消息周期、确定信号与消息的映射关系是否满足要求，并测试在循环执行多次之后，ECU是否具备在控制功能上的稳定性［8］。�
　　选用以LabVIEW为软件平台实现ECU的功能测试。测试系统整体框架包括三部分：上位机仿真和测试、CAN网络和底层待测ECU模块。如图2所示。�
　　
　　工业计算机仿真给定ECU的各种信号量，驱动ECU进行控制工作。由于各ECU之间是相互独立的，“测试与结果显示模块”采集不同ECU广播的控制信息，并通过ID对它们进行识别。对采集到的控制信息进行分析、对比原始输入来判定各个ECU在功能控制中是否满足协议要求。�
　　
　　具体测试方法如下：�
　　首先，通过上位机LabVIEW模拟仿真信号（如：转向灯信号、温度信号等）,通过NI 6259板卡，与待测ECU各引脚进行对接；�
　　然后，发送仿真信号，驱动ECU进行控制工作，并发送出相应的CAN控制信息；�
　　再次，通过NI 8473s板卡与上位机LabVIEW进行对接，接收采集到的CAN报文，并通过LabVIEW实现报文的解析、处理和ECU控制效果的同步显示；�
　　最后，把原始仿真数据和处理后的数据进行对比，验证ECU在功能控制上是否满足预期效果，并对以上测试步骤循环多次，得出测试结论，生成测试文档。�
　　在此，根据测试大纲要求，选用一个由实验室和整车厂联合开发的ECU作为应用实例，仿真信号由模拟信号和开关量信号组成，主要分为：转向灯信号、报警信号、状态信号、门信号、温度信号和压力信号控制信号。具体的控制量与变化范围因测试ECU功能要求进行定制化处理。测试ECU仿真控制信号如表2所示。�
　　
　　2.2 软件设计流程�
　　上位机软件整体分为7部分：虚拟仪器配置、模拟信号仿真、同步信号显示、测试结果显示、系统数据判断、数据处理、测试报告生成。模块示意图如图3所示。�
　　
　　1）虚拟仪器配置。对测试时使用的板卡进行初始化配置，设定参数和使用通道。�
　　2）模拟信号仿真。产生ECU仿真信号（如转向灯信号，水温信号等）。�
　　3）同步信号显示。将采集到的CAN报文，进行处理之后，在人机界面上进行控件显示，方便测试者进行直接观察和分析。�
　　4）测试结果显示。在人机界面上进行测试结果的显示，以表格和BOOL数组的形式显示出每个信号在多次测试之后的通过情况。�
　　5）系统数据判断。将处理后的CAN报文数据与预先保存的仿真信号数据进行对比，得出测试结果。�
　　6）数据处理。处理NI 8473s板卡采集到的CAN报文，提取数据信息。�
　　7）测试报告生成。在人机界面上显示测试结果后，将测试结果以网页（.html）格式的文档进行保存，便于后期的分析和处理。�
　　软件设计流程如图4所示。�
　　
　　3 系统分析�
　　由图2测试方法总体框架图可知，此系统主要包含三部分：上位机仿真和测试、CAN网络和底层待测ECU模块。其中上位机仿真和测试模块又分为仿真信号产生模块和测试与结果显示模块两部分。�
　　
　　3.1 仿真信号产生模块�
　　使用NI 6259板卡和上位机LabVIEW构建仿真信号产生模块。此板卡可支持48路数字信号输出和4路模拟信号输出。在调用接口函数模块后，可产生需要的仿真信号，在板卡对应引脚输出对应电压信号。�
　　由表2的ECU控制信号表可知，此待测ECU具有两种不同类型的信号：模拟信号和开关量信号。所以需要在LabVIEW中使用DAQmx各模块仿真出ECU需要的模拟信号和开关量信号。�
　　1）产生模拟仿真信号［10］。需要把模拟信号转化为ECU能识别的电压信号，一般范围在5�V以内。�
　　如：仿真发动机冷却水温度信号，水温与电压之间的关系如图5所示。�
　　
　　通过最小二乘法线性拟合得出公式：�
　　�y=－4×10��－10�x�5+7×10��－8�x�4－3×10��－6�x�3+�0.000�2x�2－0.064�2x+4.204�4�
　　其中：y为输出电压值；x为冷却水温度值。�
　　如：进气歧管压力信号，压力与电压之间的关系式：�
　　V=V�参（0.002�3P-0.015）�
　　其中：P为上位机模拟的压力值；V�参为参考电压5��V�。关系如图6如示。��
　　
　　由图5~6可知模拟信号与电压值之间的转换特性，由上位机进行转换后通过板卡进行输出，传递对应电压值到待测ECU,驱动其进行控制工作。�
　　2）产生开关量仿真信号。�
　　在LabVIEW中定义各种开关量信号，通过板卡产生高/低电平。一般情况下，ECU检测到高边信号（ECU有效电平分两种：H、L，即高电平有效或低电平有效）后进行控制工作（一般情况下，ECU的高电平判断电压在2.5�V~5�V），控制信号的开启或关闭，并同步使用CAN模块广播CAN报文。�
　　如：DriverDoorStatus（左前门状态）,根据ECU手册可知，其为BOOL量，所以在前面板中放置一个BOOL型控件。在对信号进行操作处理后调用NI6259板卡的接口函数并配置通道信息，与此板卡进行通信，产生所需仿真信号（此功能是否正常可通过示波器进行验证）。�
　　
　　3.2 待测ECU模块�
　　车载ECU控制功能工作原理：ECU外接12�V工作电压，在人为进行操作或发生状态变化（如开启转向灯、水温变化）时电路接通，然后产生电压值传递到ECU的模拟输入引脚，如图7所示。�
　　
　　此系统使用板卡产生的各种电压信号代替左侧虚线部分图中未见虚线，请补充或说明。，ECU检测到信号后进行控制工作。�
　　
　　3.3 测试与结果显示模块�
　　上位机LabVIEW调用NI 8473s板卡接口函数采集CAN报文［12］。根据ECU控制协议，对CAN报文进行解析、分析、处理，提取出周期、ID、DATA等控制信息。然后对比原始数据（3.1节部分），进行多次测试后，如果每次测试都全部通过，则判断为Pass，否则为False，并在前面板中进行显示。�
　　其中：原始数据包括报文周期、ID和控制信号数据等；报文周期和ID由ECU控制协议决定；控制信号数据由仿真控制信号模块在产生仿真信号时提供。�
　　
　　4 测试实现�
　　测试ECU在控制功能上是否满足给定的协议和规范，并测试在循环测试多次之后，ECU控制功能是否具有较好的稳定性。测试系统人机界面如图8所示。�
　　
　　“仿真信号控制部分”产生表1的ECU控制信号。“ECU控制显示部分”是对接收到的CAN报文进行解析、处理之后用控件进行形象的显示，并与“仿真信号控制部分”进行对比。结果显示，在循环测试100次之后，信号量“左前门状态”和“进气歧管压力信号”控制出错，在BOOL数组和测试表格中都有明确显示。“ECU控制显示部分”显示出“左前门状态”灯不亮以及进气歧管压力信号数据不一致，这些也同样说明了信号控制的错误。在生成的测试报告(.html格式)中也有明确显示，如图9所示。�
　　
　　从测试过程中得知，各个ECU的触发电平有可能不一样，大致在5�V~12�V。NI 6259板卡的工作电压需小于10�V，所以在需要触发电平高于10�V的ECU上进行测试时，则需要在板卡的输出端加入一个增压电路。�
　　同时，为了保证测试的正确性，在使用示波器确认仿真部分的输出电压无误后，采用车载网络测试专用工具CANoe对ECU控制报文进行监测，观察结果如图10如示。�
　　
　　由图8和图10可知，使用CANoe监测的总线报文与测试系统监测到的报文一致，验证了本文所设计测试方法的可行性和准确性。在对比分析图8和图10中的监测数据，验证了数据一致性和通信协议的可行性。�
　　根据不同ECU的控制协议，制定不同的仿真信号产生模块和测试模块，并在使用过程中，不断完善ECU的测试用例库，在完善后进行不同ECU功能测试时，进行规格选择后，即可实现对不同ECU的功能测试。�
　　
　　5 结语�
　　本文介绍了ECU功能测试的现状，优化和改进了传统测试方法。此方法以仿真信号代替采集的真实信号来驱动ECU进行控制工作，并引入闭环结构和CAN总线，使测试过程更加简单和智能化。所测结果准确可靠，能运用于ECU生产线，提高ECU批量测试的工作效率，为整车厂进行ECU测试带来了方便。在完善仿真信号模块和测试模块用例库后可扩展到对不同型号ECU的功能测试。同时，此方法的思想，还可以应用于车载网络的测试、故障诊断等方面，具有较好的理论价值和实际意义。
　　
　　
　　
　　�参考文献:�
　　[1]
　　夏巍，严辉，丁刚.CAN网络的实时性与可靠性的研究［J］.安徽建筑工业学院学报：自然科学版,2007,15(1):65-68.
　　�[2]
　　KONG FENG, ZHANG LIYAN, ZENG JIE, et al. Automatic measurement and control system for vehicle ECU based on CAN bus ［C］// Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics. Washington, DC: IEEE Computer Society, 2007: 964-968.�
　　[3]
　　王立萍.CAN网络在汽车控制方法的应用［J］.工业仪表与自动化装置,2009(5):77-79.
　　�[4]
　　WU WEI-BIN, HONG T S, LUO CAI-RU, et al. Hardware-in-loop of alternative fuel engine ECU ［C］// Proceedings of the Second International Conference on Computer Modeling and Simulation. Washington, DC: IEEE Computer Society, 2010: 291-294.
　　�[5]
　　陈彦丰，朱君.基于PXI的汽车测试方案［J］.汽车制造与装备,2005(3):44-46.
　　�[6]
　　程跃,康劲松,徐国卿.一种车用CAN总线网络测试系统的研究［J］.电子应用,2008,27(1):83-86.
　　�[7]
　　梁锐.NI软硬件平台在汽车ECU开发和测试中的应用［J］.世界电子元器件,2007(12):61-63.
　　�[8]
　　WEI �WEN-XIONG,� GUO �JIANG-WEI,� LIU �SHENG-LONG,� �et al.� Design of CAN communication network in automobile ECU testing system ［C］// Proceedings of the Second Pacific-Asia Conference on Circuits, Communications and System. Washington, DC: IEEE Computer Society, 2010: 1-3.
　　�[9]
　　CAN Specification 2.0,Part A ［EB/OL］. ［2011-02-15］. http://www.can-cia.de/fileadmin/cia/specifications/CAN20A.pdf.
　　�[10]
　　曹更彦.汽车燃气发动机电控系统实时仿真技术研究［D］.重庆:重庆邮电大学,2009.
　　�[11]
　　阮奇桢.我和LabVIEW［M］.北京:北京航空航天大学出版社,2009.
　　�[12]
　　Society of Automotive Engineers. SAE J1939 ［EB/OL］. ［2011-03-03］. http://www.省略/PDFs/manual/drehgeber/M36X8/M3658_J1939.pdf.
　　�[13]
　　胡思德.汽车车载网络（VAN/CAN/LIN）技术详解［M］.北京：机械工业出版社，2006.
　　
　　 收稿日期:2011-06-16;修回日期:2011-08-21。�
　　
　　 基金项目:
　　国家“核高基”重大专项（2009ZX01038-002-002-2）；重庆高校优秀成果转化项目(KJZH08210)。�
　　
　　 作者简介:
　　程安宇(1977-)，男，湖北崇阳人，副教授，博士，主要研究方向：汽车网络设计与测试、自动化装置与仪器仪表、智能车辆；�赵国庆（1986-），�男，四川都江堰人，硕士研究生，主要研究方向：车载网络测试； 冯辉宗（1972-），男，四川邻水人，教授，博士，主要研究方向：系统建模与仿真、汽车电子控制； 张玲（1986-），男，重庆渝北人，硕士研究生，主要研究方向：车载网络测试

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