在汽车行业中引进新技术是充满风险且成本昂贵的事情。在车载网络领域尤其如此,这通常意味着在已经得到验证的机制与通过更先进的总线系统增加功能并提高带宽之间实现平衡。应始终将近年来实现的可靠性作为基准,在任何情况下都不能冒险。近期对车载网络测试的需求剧增,这些测试是新一代汽车硬件和软件组件审批过程中的重要步骤。
作为一种高效且可靠的通信方式,CAN 总线到现在已经得到充分验证。“FD - 灵活数据速率”概念的出现及其带来的带宽提高大大增强了 CAN 总线系统体系架构的生命力。协议变化,更大的数据长度,不同的比特率,这些都要求新的或经过调整的测试用例和测试系统。
图 1:CAN 帧布局
网络测试
总线节点网络功能的测试方法在各 OEM 的规范和测试标准中定义。
除总线物理层外,还必须测试各种控制器参数,如比特率和采样点。通过评估总线通信,依据数据规范(ID、DLC、周期时间,以及计数器和校验和等方面的信号测试)测试控制单元的发送报文。
典型的测试用例用来检验工作电压极限、电流消耗、发送起始以及脉冲和斜坡形式的对工作电压扰乱的反应。
对 CAN 错误管理进行测试是CAN 控制单元测试中的一项重要测试任务。为了测试 BUSOFF(发送器退隐)处理,在测试中对控制单元的发送报文进行干扰,并评估发送和等待阶段以及在等待阶段的重新初始化和接收准备情况。网络管理测试用例基于所使用的网络管理类型(OSEK-NM、NMHigh、AutoSAR),对状态转换、唤醒原因、总线空闲和时序等方面进行检验。例如,板载诊断测试套件包括对传输协议、CAN 错误处理(监视启动、电压阈值、报文故障、信号错误、BUSOFF)的测试以及对诊断服务的测试。
CAN FD 接口测试
CAN FD 在本质上是协议层面的扩展。因此,传统 CAN 的大多数测试规范也适用于 CAN FD。下面简要介绍 CAN FD 的一些特点和补充测试用例。
兼容性
CAN FD 与 CAN 完全兼容,即每个 CAN FD 控制器都可以发送和接收传统 CAN 帧。但是,仅支持 CAN 标准的控制器无法解码 CAN FD 帧。
在 CAN FD 验收测试中,无论控制单元本身发送或接收的帧类型如何,FD 帧都必须始终得到正确确认 (ACK)。由于格式错误没有得到正确识别而导致的错误帧不得出现在总线上。
数据长度
最大有效载荷长度从 8个字节增加到 64 个字节。必须对所发送的全部报文检查这些值。与传统 CAN 一样,这是通过在各种条件下进行报文跟踪记录和分析并依据数据规范进行后续测试来完成的。不正确的数据长度会导致接收器功能受限,因此必须在相应的测试用例中模拟错误检测。
比特率
CAN 总线上无差错通信的关键参数是比特率。与传统 CAN 不同,CAN FD 以灵活比特率工作,即在一个帧内具有不同的传输速度。在仲裁阶段和数据阶段的发送速度分别为最高 1 Mbps 和最高 10 Mbps。例如,一种典型组合是 500 和 2000 Kbps。传输端测试可采用基于硬件的解决方案。这样可以在一个或多个帧中同时且连续地测量两个比特率。对于帧的示例性测量,还可以采用高分辨率的 CAN FD 可触发示波器。
比特率切换 (BRS)
帧的控制字段中的新BRS 位指示以高比特率(隐性位)或低比特率(显性位)进行传输。通过报文跟踪记录和分析,并依据制造商的规格和数据规范,对控制单元的发送帧进行比较和评估。在通常情况下,所有 FD 帧必须始终以高比特率发送。
在接收端,控制单元必须不区分快帧和慢帧。因此,单个或全部 FD 接收报文会在特定时间内同时快速和慢速发送。这样不应导致总线上出现错误帧,也不应引发附加错误存储器条目。
错误状态指示符(ESI)
CAN FD 中的 ESI 位指示 CAN FD 控制器的当前错误状态。显性值指示其处于主动错误状态,隐性值指示其处于被动错误状态。
因此,除了用于评估发生BUSOFF 后的反应的常见测试用例外,在用于 CAN FD 错误处理的测试用例中,还可以且必须执行和评估另外两个错误状态。这需要可灵活配置的能够干扰任何 CAN 和 CAN FD 报文的故障模块。
比特率切换
在 BRS 位的采样点发生慢速到快速的比特率切换;在 CRC 定界符的采样点发生从快速到慢速的比特率切换,或者在检测到错误后立即进行该切换。因此,错误帧总是以标称(慢)比特率发送。对于发送端和接收端的故障检测,必须测试比特率切换。
采样点
CAN FD 控制器在固定时间点确定发送或接收的每个位的值。该值必须依据制造商规范进行配置。由于比特率切换,CAN FD 有两种不同的采样点。
图 2:CAN 位时序
采样点可以通过多种方法确定,尤其是通过专利 DE102009039200 A1 所述方法。
对于 CAN FD,为了测量所有可能的帧类型 (CAN/CAN FD、标准帧/扩展帧、ISO/非 ISO)的两种采样时间,需要显著提高帧生成精度并调整信号生成。
硬件
要执行的控制单元测试的类型和范围决定所需的硬件资源。
为了能够测定与控制单元通信的安全性和容错性,必须将各通信参数调整至所允许公差范围的极限或超出这些极限。
残余总线控制器
可以选择使用 DBC、FIBEX 或 AUTOSAR 系统描述格式来定义CAN 或 CAN FD 的通信矩阵。GÖPEL 开发的 61 系列电子平台的残余总线控制器采用模块化和可扩展测试资源设计理念。这样可以灵活地适应不同测试对象。
TJA1044GT 收发器与所集成的 BOSCH CAN FD IP 内核结合用于 CAN FD 通信,可实现高达 10 Mbps 的比特率。另外还相应扩展了 CAN FD 的残余总线模拟(基于帧或依据 AUTOSAR)、传输和诊断协议或网络管理的功能。
干扰、触发和分析模块
利用故障、触发和分析模块 Basic CON 4055,可以对 CAN/CAN FD 通信进行特殊操控和分析。这样可以执行精确的协议测试。Basic CON 4055 可以干扰任何 CAN/CAN FD 报文,在四个可配置端口上拥有多达 250 个独立报文触发器,并提供关于使用外部资源的触发器输入和输出。
该模块具有众多分析功能,CAN/CAN FD 通信的比特率测量是其中之一。对于 CAN FD,可以同时测量两种比特率(仲裁阶段和数据阶段)。
该模块集成到当前的接口和网络测试仪来使用。
信号发生器
采用专利DE102009039200 A1 所述的在数据链路层中处理错误的方法确定采样点。所使用的发送器必须能够生成经修改的 CAN/CAN FD 报文。对报文的操纵通过部分反转数据区域中的单个数据位来实现。
图 4:采样点测定原理示意图
然后 CAN/CANFD 节点会做出反应:检测到 CRC 错误并发出错误消息。
为了将测定精确到百分之一,这里使用一个信号发生器,它可以以适当分辨率、精度和速度发送测试信号。
总结
对于 CAN FD 而言,汽车制造商的大部分测试规范仍可不受限制地使用。但一些测试用例需要扩展,另外还需要新增一些全新的测试用例。现有的测试系统可以在硬件和软件方面进行调整或扩展。硬件方面主要涉及残余总线控制器和故障模块,软件方面主要涉及 CAN FD 协议的完整集成。