汽車電子CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計關(guān)鍵問題全析

如何解決當前CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計面臨的關(guān)鍵問題？

就如同集成電路、微處理器的誕生一樣，數(shù)據(jù)總線技術(shù)的問世成為了汽車電子技術(shù)發(fā)展的一個重要里程碑。如今，隨著CAN總線技術(shù)在汽車電子領(lǐng)域日益廣泛的應(yīng)用，其協(xié)議一致規(guī)范表述的重要性也逐漸凸現(xiàn)。根據(jù)ISO（國際標準化組織）定義的OSI模型，CAN協(xié)議定義了物理層及數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范，為不同的汽車廠商制定符合自身需要的應(yīng)用層協(xié)議提供了便利。如果需要建立更加完善的系統(tǒng)，還需要在CAN的基礎(chǔ)上選擇合適的應(yīng)用層協(xié)議。

為了幫助業(yè)內(nèi)工程師進一步了解汽車CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議制定的重要性，以及掌握汽車CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計技術(shù)，并解決其關(guān)鍵問題，在電子工程專輯旗下的汽車電子設(shè)計網(wǎng)站舉行的《如何解決當前CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計面臨的關(guān)鍵問題？ 》專題討論中，Mentor Graphics資深產(chǎn)品專員董因平博士應(yīng)邀與工程師進行互動，與大家進一步探討了汽車CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議制定方面的話題。基于此次專題討論，我們總結(jié)了汽車CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)的一些問題供讀者參考。

解析CAN協(xié)議應(yīng)用層與應(yīng)用程序

董因平博士表示，應(yīng)用層和應(yīng)用程序是不一樣的。應(yīng)用層是指通訊功能的應(yīng)用層。它并不定義和描述應(yīng)用程序參數(shù)，它提供的只是通訊功能與應(yīng)用程序的通訊接口。包括：定義通訊服務(wù)、傳送過程數(shù)據(jù)、診斷信息及標定信息。設(shè)備監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)管理也一般定義為應(yīng)用層的一部分，有的也將傳輸層的部分內(nèi)容納入應(yīng)用層實現(xiàn)，比如超過8個字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸。

應(yīng)用程序就完全是指控制算法等應(yīng)用代碼。它定義控制算法相關(guān)的數(shù)據(jù)和參數(shù)。

在目前ECU開發(fā)中，應(yīng)用程序代碼包含了應(yīng)用層代碼。其缺點在于以下三個方面：

1. 應(yīng)用程序發(fā)生變化，必須考查應(yīng)用層是否還能滿足要求。

2. 通訊協(xié)議發(fā)生變化，整個應(yīng)用程序及應(yīng)用層代碼都必須重新編譯測試。這個問題是造成整車廠在協(xié)議開發(fā)中不能起主導(dǎo)作用的主要原因之一。所以有很多國內(nèi)的整車廠有了新的協(xié)議，希望某些國外大型供應(yīng)商實施新協(xié)議時會遇到極大的阻礙。一是不愿意做，二是重新開發(fā)的費用高昂。

3. 嚴重阻礙了節(jié)點和設(shè)計的重用。由于應(yīng)用程序和應(yīng)用層融合在一起，難以實現(xiàn)即插即用的效果。

解決方案就是接口標準化，即將應(yīng)用層從應(yīng)用程序中分割出路并標準化接口。 AUTOSAR的一個特性就是標準化接口，實現(xiàn)即插即用。Mentor Graphics的VTP也是一個典型的例子。

CAN測試重要還是協(xié)議制定重要？

董因平博士表示，測試和設(shè)計的重要性在不同設(shè)計思路中有不同的體現(xiàn)。目前應(yīng)用層協(xié)議制定的方法可以分為兩大類，一類是測試為重心的方法，一類是設(shè)計為重心的方法。

第一種方法也稱為投票法或試驗法。這是一種工程設(shè)計方法，各個供應(yīng)商對協(xié)議提出要求，整車廠集成要求，通過測試驗證協(xié)議可行性，隨后發(fā)布協(xié)議。測試的功能除了驗證協(xié)議的實現(xiàn)外，還有一個重要的任務(wù)就是對協(xié)議設(shè)計進行測試，試圖解決ID分配不合理、消息沖突問題等等。這種方法的重心就是測試，因此測試比較重要。

第二種方法是系統(tǒng)級設(shè)計法。這是一種理論設(shè)計方法，它提出了完全不同的需求，供應(yīng)商只需要提供相應(yīng)的參數(shù)，根據(jù)一定的理論模型對網(wǎng)絡(luò)通訊特性進行計算，如信號延遲、總線負載等。以此為基礎(chǔ)，考慮設(shè)計需求，通過一定的調(diào)度算法，對每條消息的ID進行分配。方法的核心就是優(yōu)化這些特性參數(shù)，保證整車網(wǎng)絡(luò)通訊的實時性能。因此在這種設(shè)計方法中，設(shè)計是重點。

董因平博士還指出，測試并不等同于驗證。他說：驗證表示的是我們有一個標準，測試被測對象是否符合。但是目前汽車電子的測試不能一概的稱為驗證，因為它還要測試協(xié)議設(shè)計是否正確，協(xié)議設(shè)計中是否有瑕疵。驗證的輸入是被測對象的特性，參照的是標準，輸出的是兩者是否符合。

而現(xiàn)在的測試，輸入的既有被測對象的特性，又有所謂的標準，輸出的是協(xié)議是否需要修改、系統(tǒng)是否可行、設(shè)計是否符合需要。注意這里引出了一個難以讓人理解的地方，我們要測試ECU是否符合標準，但是我們卻又在根據(jù)測試結(jié)果在懷疑這個標準。因此除非有非常雄厚的技術(shù)和經(jīng)驗積累，否則你始終在這兩者之間徘徊，浪費時間和金錢。中國目前就處于這種狀態(tài)，但是我們卻要依靠測試來推動技術(shù)的發(fā)展，難以想像。我們需要的是一條新的發(fā)展思路。

沒有設(shè)計就根本談不上測試，相反設(shè)計才決定了測試的體系。例如，整車網(wǎng)絡(luò)的電氣特性參數(shù)，比如ECU的終端電阻、電容，這些參數(shù)都是與特定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有關(guān)系的。可能因為線束走線不同就有所不同。設(shè)計人員知道影響這些參數(shù)的原因和可能出現(xiàn)的問題，而這些都可以成為建立測試方法的輸入。

董因平博士補充道，測試是比較重要，但是一定要比較的話，則更傾向于選擇設(shè)計更重要。其實電子行業(yè)的發(fā)展可以成為參考，為什么EDA工具在電子設(shè)計中處于如此重要的地位？而且現(xiàn)在國際上的趨勢是基于系統(tǒng)級的設(shè)計、建模等等。重點是系統(tǒng)級！董因平博士還強調(diào)，如果一味只重視測試的話，那么就是在走國外發(fā)展的老路，是背離系統(tǒng)級的設(shè)計思路，根本就沒有考慮國際發(fā)展的趨勢。

應(yīng)該從哪幾個方面來構(gòu)造協(xié)議？

CAN協(xié)議的基本要素是ID、周期和信號與消息的映射關(guān)系。因此構(gòu)造協(xié)議的主要任務(wù)是ID分配、定義消息周期、確定信號與消息的映射關(guān)系。這三個方面的設(shè)計都同等重要，設(shè)計要考慮的主要因素有數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求（即所謂的時序）、數(shù)據(jù)的相對重要程度、與數(shù)據(jù)相關(guān)的應(yīng)用控制算法對數(shù)據(jù)的時間要求。

董因平博士指出，協(xié)議設(shè)計實質(zhì)上是非常復(fù)雜的工作，對于國內(nèi)來說，由于我們?nèi)狈ο鄳?yīng)的經(jīng)驗，國外又對我們進行技術(shù)？？，因此到目前為止這還是阻礙中國技術(shù)發(fā)展的主要障礙。

國際上也存在一些現(xiàn)有的標準，如CANopen、SAE J1939.SAE J1939這是一個有汽車工程師協(xié)議牽頭制定的應(yīng)用與卡車電控網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議。不過它主要是應(yīng)用與卡車的電控系統(tǒng)，不能直接照搬到轎車控制系統(tǒng)中。但是隨著汽車電子的發(fā)展，汽車電子設(shè)計分工也越來越細，這部分工作也有廠商提供工具實現(xiàn)協(xié)議的計算機輔助設(shè)計。比如Mentor Graphics公司的VNA就是一款自動化的協(xié)議設(shè)計軟件。

實現(xiàn)通信協(xié)議的程序代碼結(jié)構(gòu)是什么樣的？

董因平博士說：首先CAN通信功能包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層、數(shù)據(jù)鏈路層已經(jīng)由硬件實現(xiàn)，目前都已經(jīng)標準化，有現(xiàn)成的部件（CAN控制器和收發(fā)器）選擇。因此在單片機上加上CAN控制器、收發(fā)器，軟件實現(xiàn)相應(yīng)的驅(qū)動程序就基本實現(xiàn)了CAN的通訊功能。但是這對于汽車電子上的應(yīng)用還是遠遠不夠的，因為數(shù)據(jù)鏈路層有很多功能沒有定義如具有邏輯關(guān)系的消息之間的功能實現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)管理等等。

因此通信協(xié)議的程序代碼的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是底層驅(qū)動+應(yīng)用代碼（通信功能的應(yīng)用代碼）。如果考慮目前汽車電子嵌入式軟件的技術(shù)發(fā)展，未來的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是底層驅(qū)動+應(yīng)用代碼+抽象層。汽車電子軟件開放式體系標準AUTOSAR也基本是這樣的思路。目前也有很多軟件廠商提供現(xiàn)成的解決方案，ECU軟件開發(fā)只需要在該解決方案提供的基于數(shù)據(jù)讀寫的接口之上實現(xiàn)控制算法。這樣做的好處在于軟件設(shè)計人員可以把專長用于集中設(shè)計控制算法、保證其可靠性。這樣的產(chǎn)品如Mentor Graphics的嵌入式軟件（VTP + 網(wǎng)絡(luò)管理 + 診斷……）就是這樣的應(yīng)用例子。