CAN總線的信號時序分析

周紅英

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

引言

CAN總線技術是當前汽車行業中廣泛使用的一種通訊技術，其優勢在于信息傳輸量大，抗干擾性強，節約整車線束。隨著越來越多的OEM采用“V”模型進行整車零部件開發，總線技術也采用了該模型。在傳統“V”開發模型中，前期的網絡設計僅通過技術人員的經驗對總線進行設計，加大了后期集成測試、驗證工作量及整改周期。

為解決因前期設計導致的后期測試及驗證問題，在前期設計過程中引入信號的時序分析來對信號在總線上的傳輸時間進行分段并精確計算，確保信號傳輸的可靠性和實時性，減少后期測試及驗證的工作量，降低了整改成本，縮短了開發周期。

1 傳統“V”開發模型

傳統的“V”開發模型是當前汽車廠家及零部件廠家普遍采用的一種產品開發模式，如圖1所示。

傳統的“V”開發模型將開發過程分為三個部分：

第一部分：前期設計階段，OEM對開發需求進行分析，明確其設計需求、架構并制定相應的規范文檔。

第二部分：供應商設計驗證階段，供應商按照 OEM 釋放的規范要求進行產品設計，并對產品進行測試驗證。

第三部分：OEM設計驗證階段，OEM對供應商開發的產品進行測試驗證。

圖1 傳統“V”開發模型

傳統的“V”開發模型以產品設計及驗證為主。

在產品設計階段，OEM需要對整車的配置、車輛需求等進行分析，與供應商技術人員進行充分的技術交流，確定CAN總線系統的硬件規范要求、交互層規范要求、網絡管理規范要求及整車信號列表，并將以上文件釋放給廠家進行產品設計。

供應商按照OEM釋放的各種CAN總線系統規范要求，對產品進行硬件及軟件的設計，并按照規范要求對產品進行測試驗證，當供應商測試通過，滿足 OEM要求時，供應商提供產品給OEM進行測試驗證。

OEM 將各供應商提供的產品參考整車裝配模式進行安裝，構建臺架進行集成測試，當發現問題時反饋供應商進行整改，并重新提交樣件，如果發現規范存在問題，更改相應的規范，并釋放供應商進行功能更改。

2 傳統“V”開發模型缺陷分析

傳統的“V”開發模型中產品設計階段工作，主要是依據技術人員的技術能力及開發經驗進行中線系統的規范及整車信號列表設計，無法對總線系統的網絡兼容性和集成的可靠性進行評估，后期采用大量的測試及驗證來校驗前期的設計工作的準確性。此方法對技術人員有很高的要求，需要技術人員了解整車的電器功能以及各功能的輸入輸出信號的定義，但隨著整車電器設備的增加，電器功能越來越復雜，總線網絡的前期設計面臨更大的挑戰。

（1）電器功能對于總線信號的時間延時無法進行準確的計算。在整車電器功能的實現過程中需要定義功能實現的時間，確保在此時間內電器功能能正常的實現，并且達到使用顧客的預期。因總線系統的引入，電器功能的很多輸入、輸出均通過總線系統進行通信，因此總線信號的時間延時嚴重的影響到了電器功能的實現時間。采用傳統的“V”開發模型進行總線開發無法考慮到此部分，需在后期驗證過程對電器功能進行驗證。

（2）測試驗證階段無法對偶發現象進行測試。在測試驗證過程中，僅能對整車正常情況下進行電器功能的測試，無法在總線負載較高或達到峰值的時候進行測試，并不能測試整車電器功能在最差情況下功能實現情況。

隨著電器設備的增多，電器單元的通信更復雜，傳統的前期設計越來越困難，無法滿足系統設計的需要。

3 VNA的開發模式

針對與傳統總線系統開發方式的弊端，Mentor Graphics公司開發了 VNA軟件，在傳統的開發技術中加強了對信號延時時間的分析，考慮到總線信號在最差情況下的延時時間，在此基礎上對總線的通信ID、周期等進行分配，確保電器功能的正常實現。

3.1 設機構想

一個由多個控制器共同實現的功能過程包括信息的采集、處理，在網絡上的信號傳輸，控制器對信息的處理，最后驅動負載執行。根據功能重要程度，對每個功能的實現均設定一個最大功能時間（Max Age），如果超過這個時間要求，功能將不能執行或對安全等需要造成危害。相反如果信號傳遞的整個過程能滿足最大功能時間限制，功能將正常實現，系統的實時性將得到保證。

如儀表顯示車速的功能（如圖2所示）：

圖2 Max Age時間

按照VNA的設計構想，將整個電器功能實現分為6個部分，分別為信號采集、信號處理（發送ECU）、信號傳輸、信號接收、信號處理（接收 ECU）、信號應用。其中兩端的時間延時TPL和TSL在ECU內部控制實現，其它幾部分的時間延時均可以在 VNA中進行控制，以保證總線的通訊滿足Max Age的時間要求，時序如圖3所示。

圖3 Max Age時序模型

3.2 設計驗證

VNA軟件會將以上幾部分時間在內部進行計算并得出其最差的時間長度，并將各部分最差時間長度進行加法運算，確定其時間是否在Max Age時間范圍內，未保證電器功能的穩定性，一般要求其計算得出的時間在Max Age的2/3處為最佳，其功能時間計算結果如圖4所示。

圖4 功能時間計算

3.3 測試驗證

ECU測試分為零部件測試及系統測試，其中零部件測試在供應商處完成，系統測試在OEM完成。

測試過程均可采用通用的測試設備，如 Vector公司的CANoe、CANStress、CANScope，Mentor公司的 Tellus等。

4 結論

傳統的“V”開發模型方式已越來越顯示出局限性，VNA軟件在其中彌補了其中的不足，不但節約了人力物力，還節約了開發時間，提高了通訊功能的可靠性，節約開發成本。因此在整車OEM廠家推廣應用VNA進行總線設計，顯得越來越重要和必要。