（湖北汽車工業(yè)學院 汽車工程學院，湖北 十堰 442002）

基于CANoe純電動汽車CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)研究與半實物反向測試驗證

沈凱，姚勝華，李娟，吳桐

（湖北汽車工業(yè)學院 汽車工程學院，湖北 十堰 442002）

設計了某純電動汽車的整車CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)，利用CANoe軟件建立仿真模型，進行完全模擬節(jié)點網(wǎng)絡仿真、半模擬半實物節(jié)點網(wǎng)絡仿真，通過完全實物節(jié)點實車測試驗證了整車CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)的性能，并提出了針對CAN總線和整車控制器產(chǎn)品開發(fā)測試的半實物反向驗證法。結果表明：CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)滿足設計要求，網(wǎng)絡模擬技術和半實物反向測試法能夠有效降低CAN總線產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短相關產(chǎn)品研發(fā)周期。

純電動汽車；CAN網(wǎng)絡；CANoe；反向驗證；網(wǎng)絡模擬

控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線技術在汽車上的廣泛使用，減少了布線系統(tǒng)的數(shù)量和復雜程度。該技術將純電動汽車上的控制器ECU連接到了同一個整體的網(wǎng)絡中，使得各控制器傳送到網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)信息可以共享，實現(xiàn)了網(wǎng)絡化的高速通信和精確控制。為了實現(xiàn)整車CAN總線系統(tǒng)的設計要求，保證各個電控元件之間順利地交流信息，開發(fā)一款能夠實時通訊且通訊良好的CAN總線網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)十分必要。整車CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)主要包含CAN總線網(wǎng)絡架構設計、模擬系統(tǒng)的搭建［1］。文中基于CANoe軟件完成CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)模型的搭建，并在此基礎上完成基于模型的CAN網(wǎng)絡通訊、仿真、測試等工作。

1 CAN總線網(wǎng)絡架構

某款EJ純電動汽車系統(tǒng)的CAN總線網(wǎng)絡架構如圖1所示，共有13個控制器，各個控制器間經(jīng)過同一個CAN網(wǎng)絡來進行數(shù)據(jù)的傳輸和接收，完成數(shù)據(jù)的交換。整車控制器VCU、EMT控制器TCU、電機控制器MCU的各節(jié)點接收和發(fā)送報文的情況如表1所示。例如：報文VCU16是通過VCU節(jié)點發(fā)送、TCU節(jié)點接收，實現(xiàn)將VCU的運行狀態(tài)和加速踏板、制動踏板、換擋請求等信號發(fā)送給TCU；TCU接收VCU16完成信號處理，并發(fā)送報文TCU1給VCU；VCU接收信號完成處理，再將報文VCU3中的VCU_MotorSpdCmd信號和VCU_Motor?TorqueCmd信號發(fā)送給電機控制器的MCU節(jié)點，從而來控制電機的轉速和轉矩。動力傳動控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖1 CAN總線網(wǎng)絡架構

表1 各節(jié)點接收和發(fā)送報文情況

圖2 動力傳動控制系統(tǒng)工作原理圖

2 CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)的建立

控制器局域網(wǎng)開放式環(huán)境（CAN open environ?ment，CANoe）是德國Vector公司為汽車總線開發(fā)的一款總線開發(fā)環(huán)境軟件。CANoe是集通信網(wǎng)絡和控制器開發(fā)、測試以及分析為一體的專業(yè)工具［2］。該工具支持從網(wǎng)絡設計到系統(tǒng)集成的分布式系統(tǒng)開發(fā)，支持CAN，LIN，MOST，F(xiàn)1exRay等多種網(wǎng)絡通信，支持ECU開發(fā)過程的半模擬節(jié)點與半實物節(jié)點網(wǎng)絡仿真通訊、CANdelaStudio診斷過程、功能測試和集成測試等。

2.1 CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)的功能

1）在線實時監(jiān)測功能 實車運行測試過程中，通過建立的整車CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)可以讀取CAN網(wǎng)絡上的各個信號值，并在用戶面板上顯示，進而對整車CAN網(wǎng)絡上各部件數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，清楚了解各個部件的運行情況以及參數(shù)變化情況。

2）離線分析功能 CANoe可以實時顯示、保存運行過程中的報文信息和參數(shù)，并將報文信息和數(shù)據(jù)存儲在用戶指定的路徑之中。在測試結束后，可以在CANoe中使用ReplayBlock模塊對采集數(shù)據(jù)進行回放，完成離線數(shù)據(jù)仿真和離線驗證分析。

3）系統(tǒng)模擬仿真功能 當運行過程中CAN網(wǎng)絡出現(xiàn)報錯情況時，用戶可以使用CANoe軟件中的仿真節(jié)點功能，屏蔽或者替換掉異常節(jié)點，順利完成正常節(jié)點的功能測試。

2.2 CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)的建立

采用CANoe軟件搭建整車CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)需要完成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫（DBC文件）的建立、仿真面板的建立和系統(tǒng)的調試運行等工作。

2.2.1 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的建立

根據(jù)整車通信網(wǎng)絡信號矩陣的定義，使用CA?Noe軟件中的數(shù)據(jù)庫編輯器（CANdb++Editor）構建純電動汽車CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)的Datebase，完成DBC文件。其中需要構建數(shù)據(jù)庫屬性，包括網(wǎng)絡屬性、信號屬性、報文屬性、節(jié)點屬性等［3］。

在定義網(wǎng)絡屬性時，文中建立了一個CANoe Interaction Layer（簡稱CANoeIL），主要是用于解析報文中的信號以及模擬總線上報或者信號的發(fā)送行為，包括模擬仿真和測試。首先定義好Datebase中報文所屬的信號以及每個報文的發(fā)送節(jié)點，在DBC中添加屬性NodeLayerModules，并在該屬性的值里邊寫入CANoeILNLVector.dll。打開DBC文件，打開Attribute Definitions窗口進行設置（View Attribute Definitions），右鍵鼠標點擊New進入，定義該屬性。定義完屬性后完成數(shù)據(jù)庫的構建，再將DBC文件添加進CANoe仿真軟件中，在Database上右鍵菜單選擇Import Wizard，將需要的節(jié)點導入到Configuration中，軟件會根據(jù)DBC文件中設置好的10個節(jié)點自動生成CANoe中的Network node，并在Simulation Setup窗口中完成了該系統(tǒng)網(wǎng)絡架構，如圖3所示。

圖3 純電動汽車CAN總線網(wǎng)絡架構圖

2.2.2 仿真界面的建立

CANoe中的Panel Designer具有人性化的面板編輯功能，能搭建用戶界面和制作用戶接口。Pan?el中有文本框、開關、按鈕、進度條、儀表盤等多種常用組件，用戶可以通過Panel中的這些組件創(chuàng)建圖形化的狀態(tài)顯示界面和操作界面。在Panel編輯器中定義好各種組件后，可以將組件與導入的DBC文件中的信號或環(huán)境變量關聯(lián)起來，從而在用戶進行仿真時，可以在搭建的界面中以圖形的形式，客觀地顯示CAN總線中的信號和數(shù)據(jù)，見圖4。

圖4 CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)界面

3 CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)的仿真與測試

CAN總線的測試主要是驗證各個節(jié)點的CAN總線通信功能是否符合設計規(guī)范要求，能否實現(xiàn)正常通信。為了保證CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)的功能性，需對CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)進行仿真測試。

1）完全模擬節(jié)點網(wǎng)絡仿真 在CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)開發(fā)初期，需要對每個節(jié)點進行測試，利用CANoe仿真軟件中的Simulation Bus模式，模擬總線上的其他節(jié)點進行通信，驗證各個節(jié)點的設計是正確，能否發(fā)送報文。

2）半模擬半實物節(jié)點網(wǎng)絡仿真 通過Vector公司開發(fā)的CAN硬件接口，CANoe軟件可以將實際存在的物理CAN總線與虛擬存在的CAN總線（CANoe搭建的CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)中）連接在同一CAN網(wǎng)絡中，實現(xiàn)實物節(jié)點與虛擬節(jié)點相結合的半實物網(wǎng)絡仿真。半實物仿真測試如圖5所示，將筆記本電腦通過CAN總線接口卡VN1610接入到實驗臺架EMT的CAN網(wǎng)絡上，用電腦模擬VCU。通過拖拽CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)中的虛擬進度條或者按鈕開關，給實物EMT發(fā)送報文信號，并在CANoe軟件中的Trace界面觀察總線上的報文收發(fā)情況，記錄信號數(shù)值的變化。

3）完全實物節(jié)點實車測試 將所有物理節(jié)點連接到CAN總線上，斷開所有虛擬節(jié)點與虛擬總線的連接。啟動各個物理節(jié)點，使用CANoe對實車上的總線通信情況進行監(jiān)控，如圖6所示。

圖5 半實物仿真測試

圖6 實車測試

3.1 CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)的性能驗證

為了保證整車CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)的準確性和功能性，文中通過正向測試和反向測試來驗證CAN網(wǎng)絡中的EMT控制系統(tǒng)的性能。

3.1.1 正向測試驗證

通過實車試驗，監(jiān)測EMT換擋工況的各項實驗數(shù)據(jù)并做記錄，對建立的網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)進行性能驗證。以EMT控制系統(tǒng)的換擋工況為例，通過實時面板監(jiān)控數(shù)據(jù)，觀察換擋工況下的參數(shù)值。驗證該CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)是否能夠準確地反映VCU和TCU協(xié)同控制過程中的各項參數(shù)及數(shù)值。在CANoe中繪制EMT換擋過程加速踏板、轉速、擋位等實時數(shù)據(jù)曲線并進行分析，各信號曲線如圖7所示：從上到下依次為加速踏板信號、電機轉速信號、電機轉矩信號、EMT目標擋位信號、車速信號。

圖7 EMT換擋過程的網(wǎng)絡監(jiān)測曲線

在EMT由L擋升為D擋過程時，換擋完成前后實時車速基本保持不變，電機轉速下降并與升擋同步轉速一致，電機轉矩線性下降至0，換擋結束電機轉速線性上升。在后續(xù)EMT由D擋降為L擋過程中，車速基本保持不變，各信號值均為正常。在整個換擋過程中，卸扭矩同步轉速，各參數(shù)均符合EMT換擋策略，且換擋平順［4］。該測試結果表明：所建立的整車CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)，能夠實時收發(fā)報文以及信號處理。實現(xiàn)了實車測試時的實時監(jiān)測、準確記錄數(shù)據(jù)等基本功能，成功驗證了整車CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)的準確性和功能性。

3.1.2 反向測試驗證

記錄正向測試中實車EMT換擋時的實驗數(shù)據(jù)，并保存在相應路徑中。在如圖5所示的仿真臺架上，基于該系統(tǒng)對正向測試數(shù)據(jù)進行回放，通過記錄并觀察臺架上EMT換擋的動作，來反向驗證該系統(tǒng)的性能。

在CAN總線模型上添加ReplayBlock模塊，在模塊中加載保存的實驗數(shù)據(jù)，在模塊與總線添加一個濾波裝置屏蔽ReplayBlock模塊中TCU發(fā)送的報文（EMT中會發(fā)送實時TCU報文，以免互相干擾）。將半實物系統(tǒng)中的EMT控制器、EMT進行上電，通過CANoe將ReplayBlock模塊中加載報文發(fā)給臺架上的EMT控制器，記錄數(shù)據(jù)并觀察臺架上EMT換擋的動作。CAN報文實際通訊情況如圖8所示。此時EMT換擋過程中的信號變化曲線如圖9所示。EMT控制器在接收報文后，正常運行，并在10 s和38.6 s時順利完成換擋操作。與實驗數(shù)據(jù)圖7記錄的換擋時間點基本一致，并且在38.6 s開始降擋操作于39 s時順利完成，換擋時間要比實車換擋時間短。在半實物測試中，EMT沒有與電機相連，又無整車負載，所以換擋期間省去了卸扭矩時間和同步轉速時間，換擋時間較短，符合半實物EMT換擋策略［5］。

圖8 CAN報文實際通訊情況

圖9 EMT換擋過程的驗證曲線

半實物反向驗證測試法類似于逆向開發(fā)，在控制器和CAN總線開發(fā)過程中，省去了許多為搭建開發(fā)平臺和測試平臺的電子電氣設備，使開發(fā)環(huán)境簡單、可靠。在基于一代控制器研發(fā)基礎上，反向測試法對二代控制器的研發(fā)以及功能、產(chǎn)品設計提供了可行便利的測試條件。在CAN總線以及整車控制器的開發(fā)中應用，可以有效地減少車輛開發(fā)成本和周期［6］。文中運用的半實物反向測試法記錄了正向測試實車實時數(shù)據(jù)，通過CANoe軟件實時回放給臺架中的TCU控制器。在測試過程中，臺架上的EMT在TCU的控制下順利完成了換擋動作，并通過對比EMT換擋過程的網(wǎng)絡監(jiān)測曲線以及實時CAN網(wǎng)絡通訊，結果表明：正向測試和反向測試基本一致，該模擬系統(tǒng)性能良好，滿足設計要求。同時該半實物反向測試方法既驗證了CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)的可行性，又驗證了臺架TCU控制器的可靠性和良好的功能性。

3.2 網(wǎng)絡負載率分析

在CAN Statistics窗口中，能夠統(tǒng)計CAN網(wǎng)路系統(tǒng)運行時的總線上各個節(jié)點的負載情況，以及幀的發(fā)送頻率、發(fā)送量等信息。文中設計的系統(tǒng)總線負載率為28.47%，如圖10所示。在總線開發(fā)設計中，CAN總線的負載率一般要求低于30%。該模擬系統(tǒng)的設計滿足上述要求。

圖10 總線負載情況

4 結論

設計了某純電動汽車的整車CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)，通過正向測試和反向測試的驗證，結果表明：該CAN網(wǎng)絡模擬系統(tǒng)可以實現(xiàn)PC端在線實時監(jiān)測功能、離線分析功能、系統(tǒng)模擬仿真功能，滿足設計要求。提出了針對CAN總線和整車控制器產(chǎn)品開發(fā)測試的半實物反向驗證法，既能夠減少研發(fā)成本、縮短項目的開發(fā)周期，又能避免設計的盲目性，并能為后續(xù)產(chǎn)品的研發(fā)提供可行便利的測試條件，為今后網(wǎng)絡開發(fā)設計提供參考，具有重要意義。

［1］張軍.基于CANoe軟件的電動汽車CAN總線測試系統(tǒng)的研究［J］.傳動技術，2012，26（3）：10-13.

［2］李玉根.基于CAN總線的整車仿真分析［D］.天津：河北工業(yè)大學，2015.

［3］Vector,CANoe ManualEN（Version7.2）［M］.Germany：Vector Informatik GmbH.

［4］馬付屹，郭朋彥，張瑞珠，等.基于CANoe的AMT汽車動力總成控制系統(tǒng)CAN通信設計［J］.汽車電器，2015（2）：34-36.

［5］梁瓊，任麗娜，趙海艷，等.帶2擋I-AMT純電動汽車的換擋控制［J］.汽車工程，2013，35（11）：1000-1004.

［6］Cheng A，Meng Y，Wang X，et al.The Design of The Truck CAN Network Test System Based on HIL[J].Inter?national Core Journal of Engineering，2015，1(5)：75-81.

Research on Network Simulation System of Electric Vehicle Based on CANoe and Semi-physical Reverse Test Verification

Shen Kai,Yao Shenghua,Li Juan,Wu Tong
（School of Automotive Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）

A vehicle network system of a pure electric vehicle was designed and the simulation model was established by CANoe software in this paper.Performance of the CAN Network Simulation System for Vehicle was tested by a fully simulated node network simulation,a semi-physical node network sim?ulation,and a real vehicle tests with physical node.In this way,the semi-physical reverse verification method for CAN bus and vehicle controller product development and design was proposed.The results show that the CAN network simulation system meets the design requirements.The network simulation technology and the semi-physical reverse test method can effectively reduce the CAN bus product de?velopment costs and shorten the relevant product development cycle.

electric vehicle;CAN network;CANoe;reverse test;network simulation

U469.72

A

1008-5483（2017）04-0007-05

10.3969/j.issn.1008-5483.2017.04.002

2017-09-02

汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新項目（2015XTZX0422）

沈凱（1993-），男，湖北鄂州人，碩士生，從事汽車電子、CAN總線方面的研究。E-mail:670351107@qq.com