不同物理媒介對車載CAN總線通信特性影響的試驗研究

李建文王翠東徐正飛王躍鄭義

（1.中國人民解放軍軍事交通學院；2.天津理工大學）

不同物理媒介對車載CAN總線通信特性影響的試驗研究

李建文1,2王翠東1徐正飛1王躍1鄭義2

（1.中國人民解放軍軍事交通學院；2.天津理工大學）

針對現有車載網絡標準對CAN總線應用環境規定不明確的問題，構建了CAN通信網絡試驗平臺，利用USB?CANⅡ雙通道CAN分析儀對通訊數據進行采集，并應用CANKING和X-Analyser兩款CAN分析軟件對3種物理媒介對CAN網絡通信特性的影響進行了分析研究。結果表明，在相同工作環境和網絡條件下，不同物理媒介對CAN通訊特性的影響存在差別，當CAN仿真節點發送時間間隔≤5 ms時，屏蔽雙絞線通訊性能最好；時間間隔≥5 ms時，3種物理媒介的通訊性能相同。

1 前言

隨著車載CAN總線技術得到愈來愈廣泛地應用，與之相關的標準也在日趨完善當中。在CAN總線的現行標準中，對CAN網絡的物理層做了明確的規定，其中專門有兩部分對CAN網絡物理層媒介即CAN通訊線做了統一的規范，將其分為屏蔽的雙絞線和非屏蔽的雙絞線兩類[1，2]。但是，對于這兩種雙絞線分別用在什么樣的環境中卻沒有明確的規定。因此，為研究不同的CAN網絡物理層媒介對車載CAN總線通信特性的影響，通過搭建的車載網絡試驗平臺，在相同條件下進行了不同物理媒介對CAN網絡通信的影響試驗，通過對比試驗結果得出了最適合該工作環境和網絡條件下的物理媒介。

2 車載網絡試驗平臺的構建

車載網絡試驗平臺采用CAN/LIN混合網絡技術，系統控制單元采用3個CAN通訊節點和13個LIN功能節點組成車身控制系統，如圖1所示。3個CAN節點分別分布于轉向柱的左、右兩側和車尾，通過CAN總線完成信息的交互。CAN節點同時作為CAN/LIN網關，實現CAN節點和LIN節點之間信息的轉換。由于在中央轉向柱位置所要采集的開關信號較多，所以在中央轉向柱位置使用2個CAN模塊。LIN節點按照執行器件（車燈、車門等）的位置進行分布，節點之間通過LIN總線實現信息的傳輸。

轉向柱CAN模塊與車尾CAN模塊是整個車身控制系統的中樞，首先CAN模塊進行開關量的采集，然后將其打包成報文幀，通過CAN總線進行信息的相互共享。CAN模塊接收到的報文幀通過處理轉化為LIN總線可以識別的控制報文幀，然后傳遞給其它LIN節點，LIN節點根據控制報文所含的信息作相應處理（包括邏輯關系處理）并檢測執行的器件，將器件狀態信息打包成狀態報文幀反饋給主LIN節點，以作為故障檢測的依據。CAN總線通訊采用廣播模式，即子節點的報文只有主節點接收（點對點模式），主節點的報文所有子節點均接收。LIN總線通訊采用的是主到從、從到主的通信方式，只能單向接受信息[3]。

3 試驗方案與工具

3.1 試驗方案

該試驗的目的是對比和研究采用不同物理媒介的CAN通訊導線對車載網絡通信性能的影響,試驗主要分以下3部分：

a.首先對CAN總線上傳輸信號的波形進行測試，對傳輸的CAN信號物理特性作定量、定性的測試與分析；

b.將采用不同物理媒介的CAN通訊導線分別接入車身網絡試驗平臺，然后改變網絡中CAN節點的數據幀發送時間間隔，比較分析不同數據幀發送時間間隔對網絡負載的影響；

c.再次將采用不同物理媒介的CAN通訊導線分別接入車身網絡試驗平臺，然后改變節點發送CAN數據幀的波特率，比較分析不同波特率對網絡負載的影響。

3.2 CAN網絡物理層物理媒介說明

經查閱相關國家標準[4，5]，屏蔽雙絞線與非屏蔽雙絞線的物理媒介主要參數如表1所列，各參數的主要區別在于測試條件的差異。另外，屏蔽雙絞線與非屏蔽雙絞線的主要區別在于外形參數不同，非本試驗研究重點，表1中沒有一一列出。

表1 屏蔽雙絞線與非屏蔽雙絞線的物理媒介參數

因屏蔽雙絞線與非屏蔽雙絞線在某些性能上較接近，為了更好的比較報文發送時間間隔和波特率對網絡負載率的影響，試驗中引入一個通信性能相對較差的比較對象，即試驗中除使用標準中的2種屏蔽線，還使用了2根車用低壓線作為CAN線。所用低壓線已滿足汽車對于車用線的標準，可作為車用的信號傳輸線使用，2根車用低壓線按照每米20匝的方式進行繞制。

3.3 試驗儀器

試驗中采用的硬件工具為Kvaser USBcan II CAN總線分析儀，軟件工具包括Kvaser CanKing和X-Analyser。

Kvaser USBcan II是基于USB的雙通道CAN總線分析儀，其中一個通道用于高速CAN，另一個通道可用于高速CAN、低速CAN或單線CAN。該工具支持11-bit（CAN 2.0A）和29-bi（tCAN 2.0B active）標示符，試驗中使用總線分析儀的“silent”模式采集總線的通訊數據[6]。

Kvaser CanKing是Kvaser公司開發的CAN總線數據接收發軟件，其完全支持Kvaser公司的各類CAN測試議，包括單通道及雙通道。它可以通過CAN卡向網絡中的其它節點發送CAN消息，并通過總線負載率和報文速率分析不同屬性的CAN信息對目標模塊產生的影響。X-Analyser是由Warwick公司開發的主要用于對CAN/LIN接口硬件的測試、診斷和獲取測試數據的軟件工具。X-Analyser能夠用多種方式顯示測試的網絡狀況，也能夠模擬CAN/LIN設備向網絡中發送數據。試驗中綜合應用這2款軟件對CAN網絡通信特性進行分析。

4 CAN總線傳輸信號波形的測試分析

在車身網絡試驗平臺上，應用不同的物理媒介對車身網絡試驗平臺CAN總線上傳輸信號的波形進行測試，對CAN信號物理特性作定量、定性的分析，以判別不同的物理媒介對CAN總線網絡通信性能的影響。

測試時，首先給汽車車身網絡試驗平臺上電，并調試到正常工作狀態，操作平臺上的CAN節點向車載網絡中發送報文；然后將試驗系統中的CAN通信導線上CAN_H與CAN_L分別與固緯GDS-820C數字式存貯示波器的探頭相連，將示波器調至最佳狀態，此時即可在示波器上觀察到CAN_H和CAN_L上傳輸的CAN幀信號波形。測試結果如圖2和表2所示。

表2 不同物理媒介CAN_H和CAN_L傳輸波形測試結果

在CAN的相關標準中規定CAN_H電平的最大值為16.0 V，最小值為-3.0 V；CAN_L電平的最大值為16.0 V，最小值為-3.0 V。與CAN標準中電平標稱值相比，該試驗中采集的電平值與CAN標準中的規定值基本吻合，其中自行絞制的物理媒介雜波較多。

繼續利用示波器對CAN_H信號與CAN_L信號的差分波形進行測試，3種不同物理媒介信號的測試結果如圖3所示。

車載CAN總線網絡系統中采用具有容錯功能的CAN收發器，可提供差動的發送與接收模式，在正常狀態下CAN收發器運行狀態由差動電壓Vdiff決定，Vdiff計算式為：

差動模式可有效減弱干擾信號的影響，提高整個網絡系統運行可靠性。CAN的標準中規定Vdiff顯性時的最小值為1.5 V，最大值為3.0 V，額定值為2.0 V。由圖3可見，試驗中采用的3種物理媒介的Vdiff均符合標準要求[4]。

通過對圖3中CAN總線上傳輸信號的波形進行測試與分析，得出如下結果：

a.3種物理媒介在車身網絡CAN總線上傳輸信號的電平與CAN網絡標準中規定的信號電平標稱值相符合，其數據傳輸速率為250 kbps；

b.在CAN總線的正常工作狀態下，CAN_H與CAN_L上的傳輸信號是對稱互補的，信號以差動的方式傳輸，總線以差動的模式工作；

c.測試得到的應用不同物理媒介的車身網絡CAN總線在正常狀況下3種傳輸信號波形圖與CAN網絡標準中規定的傳輸信號波形相符合，說明這3種物理媒介都可作為CAN總線來使用。

5 CAN總線網絡負載率的測試分析

通過車身網絡系統測試分析平臺，可在線對車身網絡系統中的CAN總線網絡進行測試。將USBCANⅡ分析儀的一個通道與車身測試網絡的CAN總線連接(CAN_H與CAN_H相連，CAN_L與CAN_L相連)后，在上位機上運行CANKING與X-Analyser軟件對CAN總線系統的網絡負載、報文速率、誤碼率進行測試分析。CAN-Analyser可以進行幾幀不同數據的順序發送，而CANKING只能發送單個報文，而且CAN-Analyser的讀數精度高于CANKING。

為測試不同物理媒介對同一車身網絡系統的影響，將車身網絡系統測控分析平臺中的CAN總線與CAN接口卡連接形成環路，利用CAN接口卡仿真一個車身網絡系統中的CAN總線控制單元節點發送數據，CUSB?CANⅡ分析儀接收CAN數據并記錄分析仿真結果。由此可以對比分析采用不同物理媒介時，CAN總線控制單元節點的平均發送CAN數據幀時間間隔和總線波特率對網絡負載的影響。

5.1 節點平均發送CAN數據幀時間間隔對網絡負載的影響

利用CAN接口卡仿真車身網絡系統的控制單元節點循環發送一個標準數據幀，幀ID為01h，數據長度為5，數據內容為01 02 03 04 05，發送波特率為80 kbps，分別設定每幀平均發送時間間隔為l～20 ms，仿真時利用X-Analyser軟件記錄數據。采用3種不同物理媒介時的測試結果如表3所列，時間間隔對負載率的影響曲線如圖4所示。

表3 不同物理媒介、不同發送時間間隔時的負載率

由圖4可知，節點發送CAN數據幀時間間隔（延時）為0時網絡負載率為100%，報文信息占用整個帶寬；隨著節點發送CAN數據幀時間間隔的延長，網絡負載也隨之減小，占用系統的帶寬減小，系統可靠性增加[6]。

由圖4可看出，當時間間隔≤5 ms時，不同物理媒介下的負載率有所差別，但差別較小，其中屏蔽雙絞線的負載率最小；當時間間隔≥5 ms時，三者的負載率重合，即負載率相同。

5.2 節點發送CAN數據幀的波特率對網絡負載的影響

CAN通信協議中規定，為獲得相應的波特率，試驗前需要計算CAN總線延遲和收發器的環路延遲，并對系統時鐘SYSCLK、CAN控制器時鐘fsys、CAN時鐘周期tsys、CAN時間量子tp等4個CAN控制器的時序參數進行設置[7]。

仿真開始時，利用CAN接口卡模擬車身網絡系統控制單元節點循環發送1個標準數據幀，幀ID為01h，數據長度為5，數據內容為01 02 03 04 05，設定每幀平均發送時間間隔為10 ms，發送波特率為5～1 000 kbps。利用CanKing軟件記錄數據，不同波特率所對應的網絡負載率如表4所列，波特率對負載率的影響曲線如圖5所示，為便于分析，圖5中只錄入了5～80 kbps區間的數值。

表4 不同波特率所對應的網絡負載率 %

由表4可知，網絡負載隨網絡波特率的增大而迅速減小，當網絡波特率≥100 kbps時，網絡負載率隨網絡波特率的增大而減小趨于平緩，逐漸接近于0，網絡性能提高。

由圖5可看出，當波特率≤50 kbps時，不同物理媒介下的負載率有所差別，但差別不明顯，其中屏蔽雙絞線的負載率最小；當波特率≥50 kbps時，三者的負載率重合，即此時采用3種物理媒介的總線網絡性能趨于相同。

6 結束語

在構建的CAN網絡試驗平臺上進行了不同物理媒介對CAN網絡通信特性影響的試驗研究，并針對節點報文發送時間間隔和波特率對負載率的影響進行了比較和分析，得出如下結論：

a.在車載網絡系統設計過程中，設置合適的節點發送CAN數據幀時間間隔（延時），既可滿足系統測控實時性要求，又能使系統具備足夠的后備能力。當CAN仿真節點發送時間間隔≤5 ms時，屏蔽雙絞線通訊性能最好；CAN仿真節點發送時間間隔≥5 ms時，3種物理媒介的通訊性能相同。

b.在車載網絡系統設計過程中，選擇合理的網絡波特率，既可保證系統性能及充分利用信道，又能節約成本。當CAN仿真節點發送波特率≤50 kb/s時，屏蔽雙絞線通訊性能最好；當CAN仿真節點發送波特率≥50 kb/s時，3種物理媒介的通訊性能相同。

1 曾光.基于LIN總線的汽車雨刮檢測平臺的設計與實現: [學位論文].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

2 張新福.CAN總線可靠性研究及其在燈光控制系統中的應用:[學位論文].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

3 于成毅.CAN總線數據記錄儀的研究與設計:[學位論文].太原：中北大學，2011.

4 SAE J 1939-11.Physical Layer—250K Bits/s,Shielded Twisted Pair.USA：Society of Automotive Engineers，1999.

5 SAE J 1939-15.Reduced Physical Layer,250K Bits/s,Un-Shielded Twisted Pair(UTP).USA：Society of Automotive Engineers，2003.

6 曲鳳麗，李峰，吳維敏，等.基于網段劃分的CAN總線拓撲優化方法.組合機床與自動化加工技術，2008（9）:1～5.

7 王躍.CANLIN總線技術在軍用車輛車身電氣系統中的應用研究：[學位論文].天津：中國人民解放軍軍事交通學院，2013.

（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年6月22日。

Experimental Study on Impact of Different Physical Media on CAN Bus Network Communication Performance

Li Jianwen1,2,Wang Cuidong1,Xu Zhengfei1,Wang Yue1,Zheng Yi2
（1.PLA Military Transportation University;2.Tianjin University of Technology）

Since existing standards for vehicle network on CAN communication line application of environmental regulations is not clear now,we construct a CAN communication network test platform,in which we make use of USB CAN II dual-channel analyzer to acquire communication data,and use CAN analysis software CANKING and X-Analyser to analyze and study the impact of three physical media on CAN network communication performance.The results show that under the same operating environment and network conditions,the influence of different physical media on CAN communication performance differ,when the transmitting time interval of CAN simulation node is≤5 ms,the shielded twisted pair cable offers the best communication performance;whereas the three physical media offer the same communication performance if time interval is≥5 ms.

Vehicle CAN bus，Communication performance，Physical media

車載CAN總線 通信特性 物理媒介

U467.4+99

A

1000-3703（2015）08-0037-06