汽車電子CAN網絡設計關鍵問題全析 - 全文

　　如何解決當前CAN網絡應用層協(xié)議設計面臨的關鍵問題？

　　就如同集成電路、微處理器的誕生一樣，數據總線技術的問世成為了汽車電子技術發(fā)展的一個重要里程碑。如今，隨著CAN總線技術在汽車電子領域日益廣泛的應用，其協(xié)議一致規(guī)范表述的重要性也逐漸凸現。根據ISO（國際標準化組織）定義的OSI模型，CAN協(xié)議定義了物理層及數據鏈路層規(guī)范，為不同的汽車廠商制定符合自身需要的應用層協(xié)議提供了便利。如果需要建立更加完善的系統(tǒng)，還需要在CAN的基礎上選擇合適的應用層協(xié)議。

　　為了幫助業(yè)內工程師進一步了解汽車CAN網絡應用層協(xié)議制定的重要性，以及掌握汽車CAN網絡應用層協(xié)議設計技術，并解決其關鍵問題，在電子工程專輯旗下的汽車電子設計網站舉行的《如何解決當前CAN網絡應用層協(xié)議設計面臨的關鍵問題？ 》專題討論中，Mentor Graphics資深產品專員董因平博士應邀與工程師進行互動，與大家進一步探討了汽車CAN網絡應用層協(xié)議制定方面的話題?；诖舜螌ｎ}討論，我們總結了汽車CAN網絡應用層協(xié)議設計中經常出現的一些問題供讀者參考。

　　解析CAN協(xié)議應用層與應用程序

　　董因平博士表示，應用層和應用程序是不一樣的。應用層是指通訊功能的應用層。它并不定義和描述應用程序參數，它提供的只是通訊功能與應用程序的通訊接口。包括：定義通訊服務、傳送過程數據、診斷信息及標定信息。設備監(jiān)控和網絡管理也一般定義為應用層的一部分，有的也將傳輸層的部分內容納入應用層實現，比如超過8個字節(jié)的數據傳輸。

　　應用程序就完全是指控制算法等應用代碼。它定義控制算法相關的數據和參數。

　　在目前ECU開發(fā)中，應用程序代碼包含了應用層代碼。其缺點在于以下三個方面：

　　1. 應用程序發(fā)生變化，必須考查應用層是否還能滿足要求。

　　2. 通訊協(xié)議發(fā)生變化，整個應用程序及應用層代碼都必須重新編譯測試。這個問題是造成整車廠在協(xié)議開發(fā)中不能起主導作用的主要原因之一。所以有很多國內的整車廠有了新的協(xié)議，希望某些國外大型供應商實施新協(xié)議時會遇到極大的阻礙。一是不愿意做，二是重新開發(fā)的費用高昂。

　　3. 嚴重阻礙了節(jié)點和設計的重用。由于應用程序和應用層融合在一起，難以實現即插即用的效果。

　　解決方案就是接口標準化，即將應用層從應用程序中分割出路并標準化接口。 AUTOSAR的一個特性就是標準化接口，實現即插即用。Mentor Graphics的VTP也是一個典型的例子。

　　CAN測試重要還是協(xié)議制定重要？

　　董因平博士表示，測試和設計的重要性在不同設計思路中有不同的體現。目前應用層協(xié)議制定的方法可以分為兩大類，一類是測試為重心的方法，一類是設計為重心的方法。

　　第一種方法也稱為投票法或試驗法。這是一種工程設計方法，各個供應商對協(xié)議提出要求，整車廠集成要求，通過測試驗證協(xié)議可行性，隨后發(fā)布協(xié)議。測試的功能除了驗證協(xié)議的實現外，還有一個重要的任務就是對協(xié)議設計進行測試，試圖解決ID分配不合理、消息沖突問題等等。這種方法的重心就是測試，因此測試比較重要。

　　第二種方法是系統(tǒng)級設計法。這是一種理論設計方法，它提出了完全不同的需求，供應商只需要提供相應的參數，根據一定的理論模型對網絡通訊特性進行計算，如信號延遲、總線負載等。以此為基礎，考慮設計需求，通過一定的調度算法，對每條消息的ID進行分配。方法的核心就是優(yōu)化這些特性參數，保證整車網絡通訊的實時性能。因此在這種設計方法中，設計是重點。

　　董因平博士還指出，測試并不等同于驗證。他說：驗證表示的是我們有一個標準，測試被測對象是否符合。但是目前汽車電子的測試不能一概的稱為驗證，因為它還要測試協(xié)議設計是否正確，協(xié)議設計中是否有瑕疵。驗證的輸入是被測對象的特性，參照的是標準，輸出的是兩者是否符合。

　　而現在的測試，輸入的既有被測對象的特性，又有所謂的標準，輸出的是協(xié)議是否需要修改、系統(tǒng)是否可行、設計是否符合需要。注意這里引出了一個難以讓人理解的地方，我們要測試ECU是否符合標準，但是我們卻又在根據測試結果在懷疑這個標準。因此除非有非常雄厚的技術和經驗積累，否則你始終在這兩者之間徘徊，浪費時間和金錢。中國目前就處于這種狀態(tài)，但是我們卻要依靠測試來推動技術的發(fā)展，難以想像。我們需要的是一條新的發(fā)展思路。

　　沒有設計就根本談不上測試，相反設計才決定了測試的體系。例如，整車網絡的電氣特性參數，比如ECU的終端電阻、電容，這些參數都是與特定的網絡環(huán)境有關系的?？赡芤驗榫€束走線不同就有所不同。設計人員知道影響這些參數的原因和可能出現的問題，而這些都可以成為建立測試方法的輸入。

　　董因平博士補充道，測試是比較重要，但是一定要比較的話，則更傾向于選擇設計更重要。其實電子行業(yè)的發(fā)展可以成為參考，為什么EDA工具在電子設計中處于如此重要的地位？而且現在國際上的趨勢是基于系統(tǒng)級的設計、建模等等。重點是系統(tǒng)級！董因平博士還強調，如果一味只重視測試的話，那么就是在走國外發(fā)展的老路，是背離系統(tǒng)級的設計思路，根本就沒有考慮國際發(fā)展的趨勢。

　　應該從哪幾個方面來構造協(xié)議？

　　CAN協(xié)議的基本要素是ID、周期和信號與消息的映射關系。因此構造協(xié)議的主要任務是ID分配、定義消息周期、確定信號與消息的映射關系。這三個方面的設計都同等重要，設計要考慮的主要因素有數據傳輸的實時性要求（即所謂的時序）、數據的相對重要程度、與數據相關的應用控制算法對數據的時間要求。

　　董因平博士指出，協(xié)議設計實質上是非常復雜的工作，對于國內來說，由于我們缺乏相應的經驗，國外又對我們進行技術？？，因此到目前為止這還是阻礙中國技術發(fā)展的主要障礙。

　　國際上也存在一些現有的標準，如CANopen、SAE J1939.SAE J1939這是一個有汽車工程師協(xié)議牽頭制定的應用與卡車電控網絡的協(xié)議。不過它主要是應用與卡車的電控系統(tǒng)，不能直接照搬到轎車控制系統(tǒng)中。但是隨著汽車電子的發(fā)展，汽車電子設計分工也越來越細，這部分工作也有廠商提供工具實現協(xié)議的計算機輔助設計。比如Mentor Graphics公司的VNA就是一款自動化的協(xié)議設計軟件。

　　實現通信協(xié)議的程序代碼結構是什么樣的？

　　董因平博士說：首先CAN通信功能包括物理層、數據鏈路層和應用層。物理層、數據鏈路層已經由硬件實現，目前都已經標準化，有現成的部件（CAN控制器和收發(fā)器）選擇。因此在單片機上加上CAN控制器、收發(fā)器，軟件實現相應的驅動程序就基本實現了CAN的通訊功能。但是這對于汽車電子上的應用還是遠遠不夠的，因為數據鏈路層有很多功能沒有定義如具有邏輯關系的消息之間的功能實現、網絡管理等等。

　　因此通信協(xié)議的程序代碼的結構應該是底層驅動+應用代碼（通信功能的應用代碼）。如果考慮目前汽車電子嵌入式軟件的技術發(fā)展，未來的結構應該是底層驅動+應用代碼+抽象層。汽車電子軟件開放式體系標準AUTOSAR也基本是這樣的思路。目前也有很多軟件廠商提供現成的解決方案，ECU軟件開發(fā)只需要在該解決方案提供的基于數據讀寫的接口之上實現控制算法。這樣做的好處在于軟件設計人員可以把專長用于集中設計控制算法、保證其可靠性。這樣的產品如Mentor Graphics的嵌入式軟件（VTP + 網絡管理 + 診斷……）就是這樣的應用例子。