高效测试汽车总线系统

 今天的汽车设计融合了多领域技术进步的成果，发动机、操控系统、安全汽囊、 ABS、车载娱乐、雨刷、轮胎等构成了一套车载网络系统，如下图1所示。车辆高速行驶时，车载网络的不同部件（或节点）需要交换大量信息，既有高速的信号也有低速信号，目的是为了保证行驶的安全性和乘员舒适性。为了改善系统通信质量，降低成本，今天所有的汽车设计都采用了大量串行总线通信协议，I2C 和SPI 协议在电子控制单元(ECUs)中的片对片通信中经常使用。对于各种汽车子系统之间的持久串行通信，例如防盗锁，气囊展开，发动机控制和GPS 导航等，CAN，LIN 以及FlexRay协议是最常见的串行总线应用。

 

       在汽车设计阶段，工程师需要一套完整的测试工具，能对复杂的汽车总线系统进行深入分析，以清楚了解总线上正在发生的事情。工程师不仅需要看到总线上的数据内容，还需要隔离感兴趣的事件，同时还要确定问题的类型和解决办法，这些需求都对仪器仪表厂商带来巨大的挑战。

图1  典型的汽车网络部件

 

       力科为汽车总线系统测试提供的方案包括通用数字示波器WaveRunner Xi，高压差分探头ADP305，以及专门的应用软件包。对CAN总线测试而言，CANBus TDM软件包提供总线触发、解码和测量功能； LINBus TD软件包则提供LIN总线的触发和解码功能，同时针对新型的FlexRay总线测试需求，力科还提供FlexRay TDP软件包，不仅能进行FlexRay总线的触发和解码操作，而且可以分析物理层信号完整性包括眼图和抖动质量。下文重点介绍这些软件包的主要功能。

 

2、 CANBus  TDM的主要功能

2.1、总线触发功能

       在汽车总线调试过程中，通常必须确认某个特点消息已经通过总线生成或发送。消息帧中包含嵌入式数据值和其他消息。常用的示波器功能如状态触发或码型触发不适用这一目的，它们是为多条通道上的并行数据设计的。这就需要一种可以对串行比流内容作出响应的触发功能。

 

       CANBus TDM软件包的Trigger功能支持按照消息帧的不同内容触发信号，可以根据 数据帧类型（Remote、Data或Error）、ID、 ID 位长度（29位或11位）、数据净荷、DLC等协议字段进行触发。比如，工程师只对ID=0x7a6的CAN消息感兴趣，可以按照图2所示界面设置触发条件。

图2  CANbus TDM触发设置界面

 

2.2、总线解码功能

        CANbus TDM中的Decode功能采用先进的软件算法，将探头捕获到的CAN波形分解成协议解码信息，然后把解码后的数据叠加在波形上。根据时基设置或缩放程度，可以精简或扩展解码信息，更好地协助了解短采集或长采集中的事件。协议的各个字段如 ID、数据净荷、CRC等都采用不同颜色区域标记，理解起来非常容易。通信周期开始帧和错帧高亮度显示。解码操作非常快，即使在长采集中也不例外。用户可以选择解码成十六进制或二进制格式。力科专门的汽车总线分析仪VBA型号还支持工业标准的DBC格式文件直接将数据翻译成文本符号，更加方便工程师调试汽车网络。下图3显示了力科示波器解码CAN消息帧后的效果。

图3  CANbus TDM 总线解码界面

 

2.3、识别错误帧类型并标记

      CAN总线出错的类型有很多可能，包括ACK错误、CRC错误、填充位错误、数据格式错误等。一些示波器厂家的CANbus软件包仅能标记出数据帧为”Error”，但不能区分究竟是具体的错误类型，这对工程师调试总线问题是很不方便的。而力科的 CANBus TDM提供了此功能，不仅能够识别总线错误类型，而且能用高亮颜色区域标注在波形上方，为工程师迅速定位总线错误来源提供了有效手段。下图4为力科示波器屏幕上标注的”CRC Error”总线出错状态。

图4  总线CRC错误识别并高亮标注

 

2.4、总线参数测量功能

       CANbus TDM提供了一种革命性的分析能力，不仅能按数据帧内容触发和解码，而且提供了测量/图示工具，可以大大提高用户调试和验证CAN ECU或网络性能的能力。作为TDM工具集的一部分，CAN Measure/Graph(CAN测量/图示功能)在力科示波器已经提供的150多个参数中增加了5个CAN特定测量参数。此外，与直方图参数一样，也可为这些参数绘制直方图、趋势图和追踪图。下面概括了CAN参数集：

# CANLoad – 计算每次采集的CANbus负荷，用百分比表示，并能够过滤计算负荷使用的消息。

# CANtoAnalog – 测量模拟信号边沿跳变与指定CAN消息之间的时间延迟。

# CANtoCAN – 两个指定CAN消息之间的时间延迟。

# CANtoValue – 计算嵌入CAN消息数据字节中的值。

# t@CAN – 计算从触发到指定CAN消息的时间。

 

下图5示例了如何测量从“唤醒“信号跳变沿到之后第一个CAN消息帧起始位的时间间隔，通过使用CANtoAnalog参数实现。

图5  CANtoAnalog 总线参数测量界面

 

2.5、符号化解码功能

       力科汽车总线分析仪(Vehicle Bus Analyzer,简称VBA)是业内首款能将CAN串行信号（物理层）转换成符号文本（协议层）的通用示波器，工程师因此具有了完整的分析CAN协议栈的能力-符号文本、十六进制和电气信号，同时也能够查看电路中其他能够影响CAN总线的电气信号包括唤醒信号、复位信号、传感器信号等等），这是某些CANBus占用分析仪器无法实现的功能。现在的汽车电子系统越来越复杂，网络上的节点规模和信息量也日益增加，仅能识别数据帧成十六进制或二进制是远远不够的，需要能将数据内容直接翻译成有意义容易读取文本符号，如下图6所示，ID:011被译码成”发动机”并显示在数据上方，方便工程师迅速了解总线上的每个部件实体的具体行为。力科VBA示波器支持工业标准的DBC数据格式，这类文件将ID和数据净荷映射成直观的文本符号，客户可以很方便通过文本编辑器创建DBC数据文件。

图6  符号文本解码界面

 

3、LINBus 和FlexRay 总线测试功能

       LIN总线协议创建于1998年，最初的发起人为五家汽车制造商、一家软件工具制造商和一家半导体厂商，该协议的主要目的集中在定义一套开放的标准，以低成本的方式实现车辆内部互联网络（Local Interconnect Networks，LIN）。很多情况下汽车系统无论是带宽还是复杂性都不必用到 CAN网络，而更低成本的 LIN网络是性价比更好的解决方案。针对工程师测试和分析LIN总线的需求，力科示波器也支持类似CANBus TD功能的软件包- LINBus TD，包括总线触发和解码两部分。下图7是 LINBus TD的解码示意：

图7  LINBus总线解码界面

 

       FlexRay 总线是面向下一代高速车载通信技术，数据率高达10Mbps，比CAN网络速度快10倍以上，将是未来车载网络的主流平台。力科于2007年在全球率先发布了示波器平台上的FlexRay测试方案FlexRay TDP(Trigger+Decode+Physical Layer)，集总线触发、解码、物理层信号完整性分析功能与一体，是目前业界最完整也是最强大的FlexRay总线分析方案，其主要功能列表如下：

# FlexRay协议2.1版触发和解码功能

# 直观的色码解码重叠功能，简便地查看解码成十六进制或二进制的数据

# 支持下述触发：

– 帧ID (静态和动态)

– 帧周期数

– 帧判定符

# 净荷前置码指示符

# 空帧指示符(NFI)

#  同步帧指示符(SyFI)

# 启动帧指示符(StFI)

– TSS符号

# 支持2.5, 5和10 Mb/s FlexRay版本

# 即使在长记录上仍能快速实现数据解码

# 方便的表格显示，支持快速“缩放到字节”功能

# 能够快速搜索特定消息包

 

4、汽车总线分析仪

       工程师永远都希望得到性价比最好的工具，不仅希望付出尽可能低的成本，而且还要得到全部需要的功能。力科公司最新推出的汽车总线分析仪VBA Xi-A基于通用型示波器平台WaveRunner Xi-A，集成的功能列表包括：

# CANBus TDM软件包的全部功能；

# LINBus  TD软件包的全部功能；

# FlexRay TDP软件包的全部功能；

# 支持 DBC格式导入和符号文本解码；

# 通用数字示波器的全部功能。

 

     拥有以上功能的新型汽车总线分析仪VBA完全满足了工程师对新一代汽车总线网络测试和分析的全部需求。

 

5、结语

      工程师对汽车网络系统测试的基本需求包括CAN总线触发、解码和测量功能，更高级需求涵盖了DBC格式文件读取、数据内容符号化解码、错误帧类型识别并标注、LINBus总线触发和解码、FlexRay总线触发、解码和物理层信号完整性分析，除此之外，工程师还需要具有通用信号测试能力的示波器，以了解其他可能影响汽车网络性能的电气信号。针对工程师的这些需求，力科最新推出的汽车总线分析仪VBA Xi-A完全支持上述功能，是目前业界最全面的汽车总线测试方案。