CAN总线系统测试技术简介

引 言

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。

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