摘 要：本文分析了車用CAN總線網(wǎng)絡(luò)的特征，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了車用CAN總線網(wǎng)絡(luò)快速原型系統(tǒng)，解決了將基于快速原型的嵌入式軟件設(shè)計(jì)和基于網(wǎng)絡(luò)仿真的系統(tǒng)分析相結(jié)合的問(wèn)題。最后使用THECU-2003硬件平臺(tái)與Simulink下的控制模型共同組成的實(shí)驗(yàn)環(huán)境驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。 關(guān)鍵詞：CAN總線網(wǎng)絡(luò);快速原型;車用電控單元 Abstract：This paper analyzed the characteristics of vehicle CAN bus, then designed and implemented the rapid prototyping system for vehicle CAN bus. It solved the problem on how to integrate module based embedded software development with network simulation based system analysis. In the end of this paper it verified the validity of the platform by using the experiment composed by THECU-2003 hardware platform and control models built in Simulink. Key words：CAN bus; rapid prototyping; electric control unit 1 引言 　　隨著車用網(wǎng)絡(luò)中被控節(jié)點(diǎn)數(shù)量和控制復(fù)雜度的不斷增加，為了滿足控制要求、降低控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本，汽車生產(chǎn)廠商和汽車設(shè)計(jì)單位對(duì)車用嵌入式軟件開(kāi)發(fā)工具的要求越來(lái)越高。目前，市場(chǎng)上已經(jīng)存在一些針對(duì)這一應(yīng)用領(lǐng)域的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)和軟件開(kāi)發(fā)工具，例如基于快速原型的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)和MATLAB/Simulink、dSPACE開(kāi)發(fā)工具。基于快速原型的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)是指軟件設(shè)計(jì)者通過(guò)創(chuàng)建和維護(hù)嵌入式軟件的功能模型來(lái)描述軟件功能，并且使用面向微處理器的自動(dòng)代碼生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)代碼快速生成的軟件開(kāi)發(fā)方法。使用這一技術(shù)可以提高嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)效率，降低開(kāi)發(fā)成本。 　　但是目前的軟件開(kāi)發(fā)工具都側(cè)重于單電控單元（ECU）建模和驗(yàn)證軟件在單ECU環(huán)境下的執(zhí)行效率和性能;對(duì)控制策略在網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的魯棒性和特征分析支持有限。另一方面，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真和分析工具，如OPNET雖然可以提供網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下協(xié)議性能的分析[6]，但是由于OPNET上開(kāi)發(fā)的仿真代碼無(wú)法直接移植到控制器上，所以開(kāi)發(fā)工作不能方便地實(shí)現(xiàn)針對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的重用。 　　如果我們針對(duì)車用CAN總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景，將基于快速原型的嵌入式軟件設(shè)計(jì)和基于網(wǎng)絡(luò)仿真的分析相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)車用CAN總線網(wǎng)絡(luò)的快速原型。在設(shè)計(jì)前期用模型定義的虛擬硬件代替沒(méi)有設(shè)計(jì)完成或者擁有成本太高的實(shí)際硬件，進(jìn)行初期的系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析;當(dāng)相應(yīng)的硬件到位后，替換虛擬硬件，將模型代碼轉(zhuǎn)化成面向目標(biāo)系統(tǒng)的目標(biāo)代碼，進(jìn)行更接近實(shí)際系統(tǒng)的驗(yàn)證分析;最后當(dāng)所有實(shí)際控制軟件、控制器硬件和被控硬件都完成時(shí)，進(jìn)行集成的全系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真。這樣可以解決使用相互獨(dú)立的工具開(kāi)發(fā)模型和進(jìn)行仿真驗(yàn)證所存在的問(wèn)題。 　　本文通過(guò)對(duì)車用CAN總線網(wǎng)絡(luò)快速原型的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，提供了一種對(duì)車用CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和性能分析的系統(tǒng);系統(tǒng)使用虛擬硬件的方法，通過(guò)在Simulink中構(gòu)造典型車用環(huán)境相關(guān)的控制器模型和被控對(duì)象模型，以及在Windows環(huán)境下構(gòu)造CAN卡仿真程序TH-CAN-Vcard和CAN總線分析工具TH-CAN_Scope，針對(duì)車用CAN總線網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了CAN總線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下控制策略仿真分析和控制代碼生成的有機(jī)結(jié)合。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2.1 車用CAN總線網(wǎng)絡(luò)的特征分析 　　CAN 總線是一種串行通信總線。使用帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)方式（即CSMA/CD）進(jìn)行總線仲裁與控制。為了對(duì)車用CAN總線在網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的性能進(jìn)行規(guī)范，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO和美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)SAE對(duì)CAN通信診斷的基準(zhǔn)環(huán)境都制訂了相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)CAN協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)，從不同層次定義基準(zhǔn)測(cè)試要求。例如：SAE J2012和ISO/DIS 15031-6對(duì)應(yīng)應(yīng)用層故障診斷的定義;[3] [7]ISO/DIS15765-2對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)層通信協(xié)議，通過(guò)定義無(wú)應(yīng)答分段數(shù)據(jù)傳送協(xié)議（USDT）提供長(zhǎng)消息數(shù)據(jù)分段/重組、帶流量控制的數(shù)據(jù)傳輸和板上控制單元與板外測(cè)試工具間消息的超時(shí)處理控制。[2] 　　另一方面，各個(gè)汽車生產(chǎn)廠家也根據(jù)這些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制訂了自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用以規(guī)范ECU產(chǎn)品供應(yīng)商的產(chǎn)品。如戴姆勒克萊斯勒-奔馳集團(tuán)的CAN通信標(biāo)準(zhǔn)軟件模型分為車輛診斷相關(guān)的模塊和與車輛診斷無(wú)關(guān)的模塊兩部分。其中車輛診斷相關(guān)的模塊又分為診斷協(xié)議服務(wù)（KWP2000）和網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議服務(wù) （ISO-15765-2） ，分別對(duì)應(yīng)應(yīng)用層服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)的功能描述，定義相關(guān)的基準(zhǔn)環(huán)境參數(shù)和測(cè)試消息序列。[2] 　　這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于車用環(huán)境下基于CAN總線的診斷服務(wù)的內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)傳送消息序列間的邏輯關(guān)系和時(shí)延要求給出了詳細(xì)定義。而依據(jù)這些要求，提供一個(gè)CAN總線網(wǎng)絡(luò)快速原型，真實(shí)地模擬具有給定特征的消息序列和數(shù)據(jù)流，再現(xiàn)可能出現(xiàn)的干擾和誤碼信號(hào)就是本設(shè)計(jì)的核心技術(shù)工作。這一工作成果可以提供對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量、網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)間相互關(guān)系的分析功能，仿真和驗(yàn)證車用CAN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中ECU控制代碼的魯棒性和實(shí)時(shí)性。 2.2 快速原型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn) 　　本快速原型系統(tǒng)有三類節(jié)點(diǎn)：有物理CAN硬件接口的實(shí)際CAN節(jié)點(diǎn)、由TH-CAN-Vcard與Simulink模型組成的虛擬CAN節(jié)點(diǎn)和運(yùn)行TH-CAN-Scope分析工具的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目沒(méi)有限制，僅受具體的CAN應(yīng)用層的編址方案影響。第一類節(jié)點(diǎn)是我們通常使用的CAN節(jié)點(diǎn)，這里重點(diǎn)描述后兩類節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。 2.2.1 虛擬CAN節(jié)點(diǎn) 　　虛擬CAN節(jié)點(diǎn)由TH-CAN-Vcard與Simulink模型組成，節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)如圖1所示。當(dāng)物理CAN卡不存在時(shí)，采用虛擬硬件技術(shù)，通過(guò)選擇CAN卡驅(qū)動(dòng)庫(kù)提供的虛擬CAN通道，同時(shí)將開(kāi)發(fā)的VCANCtrl控制對(duì)象實(shí)例化成COM服務(wù)器（COM Server）就可以在單機(jī)下建立COM服務(wù)器與MATLAB中模型（作為COM客戶機(jī)）間的聯(lián)系。虛擬接收/發(fā)送CAN消息到CAN總線的過(guò)程，為Simulink下建立的模型提供基本的CAN通信測(cè)試功能。 　　當(dāng)物理CAN卡存在時(shí)，可以直接將模型中的目標(biāo)CAN通道進(jìn)行修改，從而使MATLAB中的模型具備與其它物理CAN節(jié)點(diǎn)通信的功能，這時(shí)多個(gè)位于不同PC機(jī)上的模型和多個(gè)ECU硬件上的控制器代碼可以通過(guò)CAN總線建立一個(gè)車用CAN網(wǎng)絡(luò)仿真分析環(huán)境。 [align=center] 圖1 虛擬CAN節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)[/align] 　　TH-CAN-Vcard則是在Windows環(huán)境下使用Visual Studio .NET和KVASER公司CAN卡驅(qū)動(dòng)庫(kù)開(kāi)發(fā)的CAN卡仿真程序。我們通過(guò)ActiveX技術(shù)開(kāi)發(fā)了VCANCtrl控制對(duì)象，并在VCANCtrl中實(shí)現(xiàn)了以下的內(nèi)部函數(shù)： 　　VCAN_Read 報(bào)文接收函數(shù);入口參數(shù)為CAN通道句柄、返回參數(shù)為在接收緩沖區(qū)中的CAN報(bào)文的ID、數(shù)據(jù)包、長(zhǎng)度、標(biāo)識(shí)和時(shí)間戳。 　　VCAN_Write 報(bào)文發(fā)送函數(shù);入口參數(shù)為CAN通道句柄，以及待發(fā)送CAN報(bào)文的ID、數(shù)據(jù)包、長(zhǎng)度和標(biāo)識(shí)。 　　VCAN_Start CAN卡初始化函數(shù);入口參數(shù)為所選CAN通道號(hào)、波特率、通道開(kāi)啟模式、同步模式和同步段，以及CAN控制器工作模式。 　　VCAN_Close CAN卡關(guān)閉函數(shù);入口參數(shù)是CAN卡初始化成功時(shí)所返回的句柄。 2.2.2 監(jiān)控節(jié)點(diǎn) 　　監(jiān)控節(jié)點(diǎn)是進(jìn)行CAN總線消息序列監(jiān)測(cè)和控制的節(jié)點(diǎn)，運(yùn)行TH-CAN-Scope - CAN消息仿真分析工具。TH-CAN-Scope是仿真CAN消息序列和進(jìn)行仿真結(jié)果記錄分析的工具，是使用KVASER公司的CANLIB SDK開(kāi)發(fā)的 Windows 下的應(yīng)用程序。 　　TH-CAN-Scope的CAN消息處理功能包括：創(chuàng)建/編輯消息流序列、CAN通信管理、CAN消息序列跟蹤、控制臺(tái)人機(jī)接口和用于消息序列管理的數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)。其中創(chuàng)建/編輯消息流序列、CAN消息序列跟蹤、控制臺(tái)人機(jī)接口和與數(shù)據(jù)庫(kù)操作相關(guān)的消息序列管理使用用戶線程。而CAN通信管理對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，使用獨(dú)立的工作線程，兩個(gè)線程通過(guò)使用Windows 下的消息處理機(jī)制相互通信。 　　另外，TH-CAN-Scope提供的分析功能包括：在線顯示CAN報(bào)文、在線統(tǒng)計(jì)CAN總線的使用情況、記錄總線上的CAN報(bào)文、主動(dòng)發(fā)送/循環(huán)發(fā)送CAN擾動(dòng)報(bào)文。并且將一段時(shí)間內(nèi)收集的CAN報(bào)文記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以進(jìn)行更詳細(xì)深入的性能分析，通過(guò)使用CAN報(bào)文編輯工具，可以指定監(jiān)控節(jié)點(diǎn)在時(shí)間觸發(fā)（在指定的相對(duì)時(shí)間發(fā)送某個(gè)/某組CAN消息）和事件觸發(fā)（收到某個(gè)CAN報(bào)文或收到某類CAN報(bào)文時(shí)發(fā)送指定的CAN報(bào)文序列）機(jī)制下發(fā)送觸發(fā)報(bào)文，以考察CAN總線的性能。 2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù) 2.3.1 MATLAB外部程序接口的實(shí)現(xiàn) 　　TH-CAN-Vcard為MATLAB下的控制器模型和被控模型提供CAN通信的功能，采用了COM技術(shù)。與用DDE技術(shù)實(shí)現(xiàn)的Matlab外部通信方式相比[4]， COM技術(shù)的性能更好，在Emanuele Ruffaldi等人所做的測(cè)試中， COM與DDE相比，寫性能提高了10倍，讀性能提高了30多倍[5]; 另外MATHWORKS 對(duì) DDE接口現(xiàn)在也不再進(jìn)行繼續(xù)的開(kāi)發(fā)，而推薦使用COM接口。 　　具體使用時(shí)，首先我們?cè)赟imulink中構(gòu)造VCAN發(fā)送模塊和VCAN接收模塊，使用M語(yǔ)言中的actxcontrol命令將VCANCtrl COM對(duì)象實(shí)例化，獲得其句柄，然后就可以通過(guò)這個(gè)實(shí)例化句柄調(diào)用COM對(duì)象中相應(yīng)的VCAN_Write和VCAN_Read函數(shù)，實(shí)現(xiàn)Matlab中控制模型的CAN通信支持，在使用上等同于一個(gè)有句柄的設(shè)備。 2.3.2 數(shù)據(jù)流模擬和節(jié)點(diǎn)同步的實(shí)現(xiàn) 　　為了在CAN總線上產(chǎn)生指定的CAN消息序列，我們通過(guò)TH-CAN-Scope定義需要的報(bào)文序列，然后通過(guò)時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)相結(jié)合的方式，定義對(duì)總線上的CAN消息的響應(yīng)操作，而相應(yīng)的控制邏輯，則通過(guò)Simulink模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以實(shí)際的控制策略類似于分布于各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)中。 　　節(jié)點(diǎn)間的同步是指在總線上的所有CAN節(jié)點(diǎn)應(yīng)該能夠在某一時(shí)刻同時(shí)產(chǎn)生各自指定的消息序列。使用由TH-CAN-Scope廣播發(fā)送自定義的CAN同步發(fā)送消息，啟動(dòng)各節(jié)點(diǎn)計(jì)時(shí)器的方式，可以實(shí)現(xiàn)一定精度的節(jié)點(diǎn)同步。 2.3.3 CAN總線性能分析的實(shí)現(xiàn) 　　在進(jìn)行CAN總線的性能分析時(shí)，我們實(shí)現(xiàn)了以下的分析功能：考察總線負(fù)載（包括節(jié)點(diǎn)數(shù)、各節(jié)點(diǎn)信息量和各節(jié)點(diǎn)設(shè)置的總線速率）的影響;考察節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)策略的影響;考察容錯(cuò)策略（例如發(fā)送接收錯(cuò)誤率過(guò)高的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該主動(dòng)退出CAN總線網(wǎng)絡(luò)）的影響;以及考察CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能，主要包括網(wǎng)絡(luò)報(bào)文消息時(shí)延的大小范圍以及報(bào)文消息時(shí)延的變化。其中，時(shí)延大小描述了報(bào)文時(shí)延的靜態(tài)特性，而時(shí)延變化則描述了報(bào)文時(shí)延的動(dòng)態(tài)特性。 3 系統(tǒng)功能測(cè)試與分析 　　為了驗(yàn)證快速原型系統(tǒng)對(duì)多ECU下虛擬硬件和實(shí)際硬件混合仿真的支持，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖2所示的系統(tǒng)功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：其中ECU-A和ECU-B是兩個(gè)獨(dú)立的硬件ECU，采用實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的TH-ECU2003控制器;ECU-C和ECU-D是在Simulink中開(kāi)發(fā)的兩個(gè)獨(dú)立的控制模型，通過(guò)VCAN發(fā)送模塊和VCAN接收模塊實(shí)現(xiàn)軟件仿真CAN卡功能，是虛擬硬件。在測(cè)試中，通過(guò)在各節(jié)點(diǎn)過(guò)濾接收到的CAN消息，控制通信流程如圖2所示，即ECU-A -> ECU-B -> ECU-C ->ECD-D -> ECU-A。從而驗(yàn)證虛擬硬件和實(shí)際硬件混合仿真下的所有場(chǎng)景。 [align=center] 圖2 快速原型系統(tǒng)功能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[/align] 　　實(shí)驗(yàn)中，使用TH-CAN-Scope作為監(jiān)控軟件，對(duì)CAN總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行了5s的數(shù)據(jù)采集，并對(duì)節(jié)點(diǎn)間2000多條CAN消息報(bào)文的時(shí)延均值和標(biāo)準(zhǔn)方差進(jìn)行分析（這里的時(shí)延包括了節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)延和節(jié)點(diǎn)間的傳輸時(shí)延），分析結(jié)果見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間都能進(jìn)行正常的通信，滿足測(cè)試要求，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。 　　表1 實(shí)驗(yàn)中的CAN消息報(bào)文時(shí)延分析 4 結(jié)論 　　本文針對(duì)現(xiàn)有ECU軟件開(kāi)發(fā)工具側(cè)重于單ECU建模和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)仿真工具中的開(kāi)發(fā)代碼在目標(biāo)系統(tǒng)上重用比較困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了車用CAN總線網(wǎng)絡(luò)快速原型系統(tǒng)。最后，通過(guò)用THECU-2003硬件平臺(tái)與Simulink下的控制模型共同組成的仿真環(huán)境驗(yàn)證了快速原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] Anthony M. 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