基于Systemvision的CAN總線物理層仿真系統

龔存昊，段金亮，余超

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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基于Systemvision的CAN總線物理層仿真系統

龔存昊，段金亮，余超

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘 要：隨著汽車制造技術的日益成熟，由BOSCH公司提出的CAN總線已經成為了車輛領域內應用最成熟和廣泛的總線技術之一。而CAN總線的物理層協議則定義了整個網絡上物理數據在各個節點之間的傳輸過程，主要涉及到對總線電氣特性等參數的設定。Systemvision作為Mentor Graphics公司開發的一款仿真軟件，可以實現對整車CAN總線物理層電氣特性的仿真。文章以某搭載CAN總線的車型為例，通過軟件構建其物理層模型，仿真出總線電平信號。根據其結果表明，該方法可以為整車E/E架構的可靠性提供了驗證手段，也同時為ECU模塊后期的測試工作奠定了基礎，對整車網絡架構具有重要的參考價值。

關鍵詞：CAN總線；Systemvision；ECU；網絡架構

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.032

CLC NO.: U462.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-94-03

前言

CAN（Controller Area Network）總線協議最早是由BOSCH公司在1986年推出其正式版，隨后在1992年發布其第一款帶CAN總線協議的汽車。現階段，隨著汽車制造技術的迅速發展，汽車行業逐漸體現出如下幾個特點：1）通過基于平臺化，可以快速的開發新產品，使得汽車更新換代速度明顯增快，新產品開發周期越來越短，種類增多。2）大多數整車企業相較以往，由于汽車需要共享的信息增長迅速而ECU模塊可以使得汽車本身更安全可靠，舒適度更高。所以汽車中搭載了越來越多的ECU模塊。3）汽車現階段ECU模塊彼此之間交互功能日益頻繁，傳統的線束方式由于其成本較高，構造復雜，而采用網絡總線技術可以較完美的解決該項問題，降低了成本的同時也減少了總線線束的長度和種類。

相較于目前有些整車企業使用的LIN協議和Flexray協議，由于CAN總線技術優良的成熟性，實時性和靈活性，已經成為了汽車制造領域內使用范圍最廣的一種總線協議。在國內外大多數的整車企業中，已經成為了主流的控制器聯網方式。

1、CAN總線網絡架構

在目前汽車行業科技發展和人們消費水平不斷升級的大環境下，客戶對于汽車的舒適度，智能化，安全性等要求不斷提高，使得汽車電子電氣模塊的構成日益復雜，傳統的線束設計和原理已經無法滿足要求。隨著汽車行業開發過程中模塊化和平臺化的逐漸完善，E/E架構已經成為了整車平臺和項目規劃中不可缺少的前期準備工作。其通過對整車線束設計，網絡管理，路由分配，電源管理等多項內容進行配置，在滿足市場調研，法律法規等的基礎上，進行成本，性能，裝配等多方面分析，從而獲得最合適的整車電子電氣系統模型。其作用相當于整車電子電氣模塊的總布置。

本文中研究和仿真的對象是某款搭載CAN總線的汽車，該款車型一共搭載兩路CAN總線，本文以其中的車身CAN （BCAN）為例，說明其總線架構方式。車身CAN架構如圖1所示。

圖1　車身CAN總線網絡架構

由圖1可知，該款車型的車身CAN總線包含了較多的ECU模塊，由于儀表（ICM），車身控制器（BCM），多媒體播放器（MP5），胎壓檢測（TPMS），倒車雷達（PDC），無鑰匙啟動（PEPS）和空調（HVAC）均搭載在該網段上，考慮到其負載率和傳輸速度對信號傳輸準確性的影響，總線采用了500Kbps/s的高速CAN（HSCAN）傳輸方式。該總線傳輸方式依據CAN BUS2.0A的11位標識符標準格式的相關技術規范和ISO11898-2協議。其網絡傳輸通信報文格式如表1所示。

表1　CAN BUS2.0A網絡傳輸通信報文格式

符合該傳輸協議的數據標準幀從SOF（Start Of Frame）起始；11位的標識符和RTR位組成了仲裁場，決定了不同報文發送的先后順序；一般情況下報文ID值越小，發送順序越靠前。DLC位決定報文的數據場長度，其最大數據長度為8個字節（64位）；CRC場用于檢查其傳輸是否出現錯誤；ACK場由ACK槽和ACK界定符組成，用于報文的正常接收。最后報文以EOF（End Of Frame）結束。

基于以上所提到的某種車型車身CAN總線的架構方式，相較于LIN總線信號的傳輸方式，CAN網絡總線為了保證信號傳輸的穩定性和準確性，防止電磁干擾，采用了雙絞線作為物理傳輸媒介。根據ISO11898-2協議所示，由于CAN總線獨特的雙絞線結構，CAN總線上信號的傳輸過程實際上是通過雙絞線差分電平信號的變化來進行控制的，差分電平質量的好壞直接決定了總線上信號傳輸的質量。所以在協議中對其總線信號電平的幅值，斜率，位時間等電信號參數進行了明確的規定和要求。此外，ECU模塊中的內部特性也同時決定了信號的電平質量和總線抗干擾能力。

2、CAN總線物理層仿真過程的實現

由于網絡架構決定了不同的ECU模塊在整車上的布局，考慮到CAN總線信號傳遞的穩定性和可靠性，架構設計者需要對CAN總線上電氣特性進行仿真。

Systemvision是Mentor Graphics公司開發的一款仿真軟件，可以實現與VHDL，Spice，Simulink等模塊的集成，在實際軟件操作中可以將不同模塊的特點與自身軟件相結合，發揮其最大優勢。Mentor Graphics公司利用systemvision軟件對最原始的ECU模塊自身進行高精度抽象的仿真，將其分解為Controller（控制器），transceiver（收發器）及其它相應的元件器，其設置參數自由度大，范圍廣，可根據測試者針對于不同的測試環境設定其仿真參數，提高了仿真的準確性。

在本文仿真中主要利用了Systemvision與其Simulink模塊的相互配合。Systemvision采用基于物理層特征的硬件模型實現其對電氣特性實現控制算法的測試，并且提供具體的仿真波形和相應參數的計算；Simulink則用來快速實現其控制算法并且自動產生算法代碼，從而完成最終仿真系統的搭建。通過其仿真結果得出的電平波形，配合后期相關波形參數的計算和分析，最終對其網絡架構的可行性進行最終的判定。

2.1 CAN總線仿真系統構建

基于上文，本次是以一條CAN總線（以車身CAN為例）上所搭載的ECU模塊作為研究對象，搭建總線物理模型，對其物理層的電平信號進行仿真。基于架構模型可以搭建成如圖2所示的拓撲圖。

圖2　BCAN的ECU模塊架構拓撲圖

下面詳細介紹BCAN總線物理層仿真系統的建模過程：

首先，依據圖2的網絡拓撲結構，結合ECU模塊的內部特性，在Syetemvision中利用Simulink模塊建立具體總線物理層的仿真模型。參照圖3所示。

圖3　CAN總線網絡物理層模型

其次，需要對CAN總線網絡模型中的ECU模塊進行具體的內部參數設置，包括其controller（控制器），transceiver（收發器），終端電阻及其電容電感的設定。另外，為了保證仿真測試的真實性和準確性，需要完成對CAN總線線束模塊長度，電阻，類型等參數的設定，具體參數設置項參照圖4，圖5所示。

圖4　ECU模塊的參數設置界面

圖5　線束模塊參數設置界面

最終需要在Simulation中添加CAN總線上ECU模塊發送的信號內容，信號周期和仿真時間等參數，從而完成最終總線物理層全部的建模過程。

2.2 仿真結果及分析

利用Systemvision軟件對CAN總線物理層中ECU模塊和線束模塊進行了電平信號仿真，并且對仿真結果進行了分析。對于CAN總線在不同狀態下的電平差分幅值和其電平上升（下降）斜率仿真結果的準確性和可靠性現階段主要依據ISO11898-2協議進行判定。仿真結果參照圖6，圖7所示。

圖6　CAN總線網絡不同狀態的電壓值

圖7　CAN網絡總線不同狀態的電壓斜率值

參照仿真波形結果，依據ISO11898-2協議對CAN總線物理層電平相關參數的設定，首先在圖6中，對CAN總線在信號傳輸過程中不同狀態下的電壓值進行了仿真，由仿真結果可以發現，其總線顯性狀態和隱性狀態下的差分電壓分別為1.9V和3.2mV。在圖7中，對CAN總線電平信號波形上升（下降）斜率進行了仿真，由仿真結果可以發現，CANH的上升斜率和下降斜率分別為10V/us和29V/us；CANL的上升斜率和下降斜率分別為29V/us和10V/us。

根據上述仿真波形結果分析，總線物理層的電平信號參數可以滿足ISO11898-2標準，說明其網絡架構方案可以保證CAN總線物理層信號傳輸的可靠性。

3、結束語

本文介紹了基于Syetemvision的CAN總線物理層仿真系統平臺，利用其軟件的SimulinK模塊搭建CAN總線物理層上ECU和線束的物理模型，同時在仿真中設置了相應模塊的非線性參數，使仿真結果的真實性和精確性得到了有效地提升；為整車網絡架構方案提供一種新的驗證途徑，也同時為整車企業有效地縮短了汽車開發的周期，對汽車行業的發展有著非常現實的意義。

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CAN Bus Physical Layer Simulation System Based On Systemvision

Gong Cunhao, Duan Jinliang, Yu Chao
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Abstract:With the development of vehicle manufacturing technology, the CAN bus has become the most mature and widely used technology in the vehicle field which is proposed by BOSCH.The physical layer of the CAN bus protocol defines the transmission process of the physical data in the whole network, mainly related to the setting of electrical characteristics.Systemvision is the simulation software designed by Mentor Graphics, which can achieve the physical layer of CAN bus.In this paper, through building the physical layer model by software,the bus voltage signal of vehicle is simulated.And the simulation results can provide areliablebasis for the whole vehicle E/E architecture and the upperECU module test.It has important reference value to the vehicle network architecture.

Keywords:CAN bus; Systemvision; ECU; Network Architecture

作者簡介：龔存昊，碩士，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

中圖分類號：U462.2

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-94-03