車用CAN總線網(wǎng)絡(luò)快速原型的設(shè)計實現(xiàn)

1 引言

　　隨著車用網(wǎng)絡(luò)中被控節(jié)點數(shù)量和控制復雜度的不斷增加，為了滿足控制要求、降低控制系統(tǒng)開發(fā)成本，汽車生產(chǎn)廠商和汽車設(shè)計單位對車用嵌入式軟件開發(fā)工具的要求越來越高。目前，市場上已經(jīng)存在一些針對這一應(yīng)用領(lǐng)域的軟件開發(fā)技術(shù)和軟件開發(fā)工具，例如基于快速原型的軟件設(shè)計技術(shù)和MATLAB/Simulink、dSPACE開發(fā)工具。基于快速原型的軟件設(shè)計技術(shù)是指軟件設(shè)計者通過創(chuàng)建和維護嵌入式軟件的功能模型來描述軟件功能，并且使用面向微處理器的自動代碼生成技術(shù)實現(xiàn)下位機代碼快速生成的軟件開發(fā)方法。使用這一技術(shù)可以提高嵌入式軟件的開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。

　　但是目前的軟件開發(fā)工具都側(cè)重于單電控單元（ECU）建模和驗證軟件在單ECU環(huán)境下的執(zhí)行效率和性能;對控制策略在網(wǎng)絡(luò)場景下的魯棒性和特征分析支持有限。另一方面，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真和分析工具，如OPNET雖然可以提供網(wǎng)絡(luò)場景下協(xié)議性能的分析[6]，但是由于OPNET上開發(fā)的仿真代碼無法直接移植到控制器上，所以開發(fā)工作不能方便地實現(xiàn)針對目標系統(tǒng)的重用。

　　如果我們針對車用CAN總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景，將基于快速原型的嵌入式軟件設(shè)計和基于網(wǎng)絡(luò)仿真的分析相結(jié)合，實現(xiàn)車用CAN總線網(wǎng)絡(luò)的快速原型。在設(shè)計前期用模型定義的虛擬硬件代替沒有設(shè)計完成或者擁有成本太高的實際硬件，進行初期的系統(tǒng)設(shè)計分析;當相應(yīng)的硬件到位后，替換虛擬硬件，將模型代碼轉(zhuǎn)化成面向目標系統(tǒng)的目標代碼，進行更接近實際系統(tǒng)的驗證分析;最后當所有實際控制軟件、控制器硬件和被控硬件都完成時，進行集成的全系統(tǒng)實時仿真。這樣可以解決使用相互獨立的工具開發(fā)模型和進行仿真驗證所存在的問題。

　　本文通過對車用CAN總線網(wǎng)絡(luò)快速原型的設(shè)計實現(xiàn)，提供了一種對車用CAN總線網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計、仿真和性能分析的系統(tǒng);系統(tǒng)使用虛擬硬件的方法，通過在Simulink中構(gòu)造典型車用環(huán)境相關(guān)的控制器模型和被控對象模型，以及在Windows環(huán)境下構(gòu)造CAN卡仿真程序TH-CAN-Vcard和CAN總線分析工具TH-CAN_Scope，針對車用CAN總線網(wǎng)絡(luò)場景，實現(xiàn)了CAN總線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下控制策略仿真分析和控制代碼生成的有機結(jié)合。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 車用CAN總線網(wǎng)絡(luò)的特征分析

　　CAN 總線是一種串行通信總線。使用帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問方式（即CSMA/CD）進行總線仲裁與控制。為了對車用CAN總線在網(wǎng)絡(luò)場景下的性能進行規(guī)范，國際標準化組織ISO和美國汽車工程師協(xié)會SAE對CAN通信診斷的基準環(huán)境都制訂了相關(guān)的國際標準。這些標準依據(jù)CAN協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)，從不同層次定義基準測試要求。例如：SAE J2012和ISO/DIS 15031-6對應(yīng)應(yīng)用層故障診斷的定義;[3] [7]ISO/DIS15765-2對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)層通信協(xié)議，通過定義無應(yīng)答分段數(shù)據(jù)傳送協(xié)議（USDT）提供長消息數(shù)據(jù)分段/重組、帶流量控制的數(shù)據(jù)傳輸和板上控制單元與板外測試工具間消息的超時處理控制。[2]

　　另一方面，各個汽車生產(chǎn)廠家也根據(jù)這些國際標準制訂了自己的企業(yè)標準，用以規(guī)范ECU產(chǎn)品供應(yīng)商的產(chǎn)品。如戴姆勒克萊斯勒-奔馳集團的CAN通信標準軟件模型分為車輛診斷相關(guān)的模塊和與車輛診斷無關(guān)的模塊兩部分。其中車輛診斷相關(guān)的模塊又分為診斷協(xié)議服務(wù)（KWP2000）和網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議服務(wù) （ISO-15765-2） ，分別對應(yīng)應(yīng)用層服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)的功能描述，定義相關(guān)的基準環(huán)境參數(shù)和測試消息序列。[2]

　　這些標準對于車用環(huán)境下基于CAN總線的診斷服務(wù)的內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)傳送消息序列間的邏輯關(guān)系和時延要求給出了詳細定義。而依據(jù)這些要求，提供一個CAN總線網(wǎng)絡(luò)快速原型，真實地模擬具有給定特征的消息序列和數(shù)據(jù)流，再現(xiàn)可能出現(xiàn)的干擾和誤碼信號就是本設(shè)計的核心技術(shù)工作。這一工作成果可以提供對網(wǎng)絡(luò)流量、網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)間相互關(guān)系的分析功能，仿真和驗證車用CAN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中ECU控制代碼的魯棒性和實時性。

2.2 快速原型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)

　　本快速原型系統(tǒng)有三類節(jié)點：有物理CAN硬件接口的實際CAN節(jié)點、由TH-CAN-Vcard與Simulink模型組成的虛擬CAN節(jié)點和運行TH-CAN-Scope分析工具的監(jiān)控節(jié)點。在設(shè)計仿真實驗時，節(jié)點的數(shù)目沒有限制，僅受具體的CAN應(yīng)用層的編址方案影響。第一類節(jié)點是我們通常使用的CAN節(jié)點，這里重點描述后兩類節(jié)點的實現(xiàn)。

2.2.1 虛擬CAN節(jié)點

　　虛擬CAN節(jié)點由TH-CAN-Vcard與Simulink模型組成，節(jié)點實現(xiàn)如圖1所示。當物理CAN卡不存在時，采用虛擬硬件技術(shù)，通過選擇CAN卡驅(qū)動庫提供的虛擬CAN通道，同時將開發(fā)的VCANCtrl控制對象實例化成COM服務(wù)器（COM Server）就可以在單機下建立COM服務(wù)器與MATLAB中模型（作為COM客戶機）間的聯(lián)系。虛擬接收/發(fā)送CAN消息到CAN總線的過程，為Simulink下建立的模型提供基本的CAN通信測試功能。

　　當物理CAN卡存在時，可以直接將模型中的目標CAN通道進行修改，從而使MATLAB中的模型具備與其它物理CAN節(jié)點通信的功能，這時多個位于不同PC機上的模型和多個ECU硬件上的控制器代碼可以通過CAN總線建立一個車用CAN網(wǎng)絡(luò)仿真分析環(huán)境。

圖1 虛擬CAN節(jié)點的實現(xiàn)

　　TH-CAN-Vcard則是在Windows環(huán)境下使用Visual Studio .NET和KVASER公司CAN卡驅(qū)動庫開發(fā)的CAN卡仿真程序。我們通過ActiveX技術(shù)開發(fā)了VCANCtrl控制對象，并在VCANCtrl中實現(xiàn)了以下的內(nèi)部函數(shù)：

　　VCAN_Read 報文接收函數(shù);入口參數(shù)為CAN通道句柄、返回參數(shù)為在接收緩沖區(qū)中的CAN報文的ID、數(shù)據(jù)包、長度、標識和時間戳。

　　VCAN_Write 報文發(fā)送函數(shù);入口參數(shù)為CAN通道句柄，以及待發(fā)送CAN報文的ID、數(shù)據(jù)包、長度和標識。

　　VCAN_Start CAN卡初始化函數(shù);入口參數(shù)為所選CAN通道號、波特率、通道開啟模式、同步模式和同步段，以及CAN控制器工作模式。

　　VCAN_Close CAN卡關(guān)閉函數(shù);入口參數(shù)是CAN卡初始化成功時所返回的句柄。

2.2.2 監(jiān)控節(jié)點

　　監(jiān)控節(jié)點是進行CAN總線消息序列監(jiān)測和控制的節(jié)點，運行TH-CAN-Scope - CAN消息仿真分析工具。TH-CAN-Scope是仿真CAN消息序列和進行仿真結(jié)果記錄分析的工具，是使用KVASER公司的CANLIB SDK開發(fā)的 Windows 下的應(yīng)用程序。

　　TH-CAN-Scope的CAN消息處理功能包括：創(chuàng)建/編輯消息流序列、CAN通信管理、CAN消息序列跟蹤、控制臺人機接口和用于消息序列管理的數(shù)據(jù)庫維護。其中創(chuàng)建/編輯消息流序列、CAN消息序列跟蹤、控制臺人機接口和與數(shù)據(jù)庫操作相關(guān)的消息序列管理使用用戶線程。而CAN通信管理對實時性要求較高，使用獨立的工作線程，兩個線程通過使用Windows 下的消息處理機制相互通信。

　　另外，TH-CAN-Scope提供的分析功能包括：在線顯示CAN報文、在線統(tǒng)計CAN總線的使用情況、記錄總線上的CAN報文、主動發(fā)送/循環(huán)發(fā)送CAN擾動報文。并且將一段時間內(nèi)收集的CAN報文記錄在數(shù)據(jù)庫中，可以進行更詳細深入的性能分析，通過使用CAN報文編輯工具，可以指定監(jiān)控節(jié)點在時間觸發(fā)（在指定的相對時間發(fā)送某個/某組CAN消息）和事件觸發(fā)（收到某個CAN報文或收到某類CAN報文時發(fā)送指定的CAN報文序列）機制下發(fā)送觸發(fā)報文，以考察CAN總線的性能。

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)

2.3.1 MATLAB外部程序接口的實現(xiàn)

　　TH-CAN-Vcard為MATLAB下的控制器模型和被控模型提供CAN通信的功能，采用了COM技術(shù)。與用DDE技術(shù)實現(xiàn)的Matlab外部通信方式相比[4]， COM技術(shù)的性能更好，在Emanuele Ruffaldi等人所做的測試中， COM與DDE相比，寫性能提高了10倍，讀性能提高了30多倍[5]; 另外MATHWORKS 對 DDE接口現(xiàn)在也不再進行繼續(xù)的開發(fā)，而推薦使用COM接口。

　　具體使用時，首先我們在Simulink中構(gòu)造VCAN發(fā)送模塊和VCAN接收模塊，使用M語言中的actxcontrol命令將VCANCtrl COM對象實例化，獲得其句柄，然后就可以通過這個實例化句柄調(diào)用COM對象中相應(yīng)的VCAN_Write和VCAN_Read函數(shù)，實現(xiàn)Matlab中控制模型的CAN通信支持，在使用上等同于一個有句柄的設(shè)備。

2.3.2 數(shù)據(jù)流模擬和節(jié)點同步的實現(xiàn)

　　為了在CAN總線上產(chǎn)生指定的CAN消息序列，我們通過TH-CAN-Scope定義需要的報文序列，然后通過時間觸發(fā)和事件觸發(fā)相結(jié)合的方式，定義對總線上的CAN消息的響應(yīng)操作，而相應(yīng)的控制邏輯，則通過Simulink模型來實現(xiàn)。所以實際的控制策略類似于分布于各個CAN節(jié)點中。

　　節(jié)點間的同步是指在總線上的所有CAN節(jié)點應(yīng)該能夠在某一時刻同時產(chǎn)生各自指定的消息序列。使用由TH-CAN-Scope廣播發(fā)送自定義的CAN同步發(fā)送消息，啟動各節(jié)點計時器的方式，可以實現(xiàn)一定精度的節(jié)點同步。

2.3.3 CAN總線性能分析的實現(xiàn)

　　在進行CAN總線的性能分析時，我們實現(xiàn)了以下的分析功能：考察總線負載（包括節(jié)點數(shù)、各節(jié)點信息量和各節(jié)點設(shè)置的總線速率）的影響;考察節(jié)點優(yōu)先級策略的影響;考察容錯策略（例如發(fā)送接收錯誤率過高的節(jié)點應(yīng)該主動退出CAN總線網(wǎng)絡(luò)）的影響;以及考察CAN網(wǎng)絡(luò)實時性能，主要包括網(wǎng)絡(luò)報文消息時延的大小范圍以及報文消息時延的變化。其中，時延大小描述了報文時延的靜態(tài)特性，而時延變化則描述了報文時延的動態(tài)特性。

3 系統(tǒng)功能測試與分析

　　為了驗證快速原型系統(tǒng)對多ECU下虛擬硬件和實際硬件混合仿真的支持，我們設(shè)計了圖2所示的系統(tǒng)功能測試實驗平臺：其中ECU-A和ECU-B是兩個獨立的硬件ECU，采用實驗室開發(fā)的TH-ECU2003控制器;ECU-C和ECU-D是在Simulink中開發(fā)的兩個獨立的控制模型，通過VCAN發(fā)送模塊和VCAN接收模塊實現(xiàn)軟件仿真CAN卡功能，是虛擬硬件。在測試中，通過在各節(jié)點過濾接收到的CAN消息，控制通信流程如圖2所示，即ECU-A -> ECU-B -> ECU-C ->ECD-D -> ECU-A。從而驗證虛擬硬件和實際硬件混合仿真下的所有場景。

圖2 快速原型系統(tǒng)功能測試的實驗平臺

　　實驗中，使用TH-CAN-Scope作為監(jiān)控軟件，對CAN總線上的數(shù)據(jù)進行了5s的數(shù)據(jù)采集，并對節(jié)點間2000多條CAN消息報文的時延均值和標準方差進行分析（這里的時延包括了節(jié)點的處理時延和節(jié)點間的傳輸時延），分析結(jié)果見表1，實驗證明系統(tǒng)中任意兩個節(jié)點間都能進行正常的通信，滿足測試要求，驗證了系統(tǒng)設(shè)計的有效性。

　　表1 實驗中的CAN消息報文時延分析

4 結(jié)論

　　本文針對現(xiàn)有ECU軟件開發(fā)工具側(cè)重于單ECU建模和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)仿真工具中的開發(fā)代碼在目標系統(tǒng)上重用比較困難的問題，設(shè)計并實現(xiàn)了車用CAN總線網(wǎng)絡(luò)快速原型系統(tǒng)。最后，通過用THECU-2003硬件平臺與Simulink下的控制模型共同組成的仿真環(huán)境驗證了快速原型系統(tǒng)設(shè)計的有效性。