本發(fā)明涉及CAN現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域，具體涉及一種高效的CAN總線芯片功能測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法，可有效提高CAN總線芯片測(cè)試效率。具體講,涉及CAN控制器芯片功能測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)場(chǎng)總線(Field bus)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線。它是應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)的，在測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)字通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。由于現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，因而受到了許多標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體和計(jì)算機(jī)廠商的高度重視?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)自推廣以來(lái)，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)應(yīng)用于冶金、汽車制造、煙草機(jī)械、環(huán)境保護(hù)、石油化工、電力能源、紡織機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域。在汽車行業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)應(yīng)用的非常普遍，近兩年國(guó)內(nèi)新的汽車生產(chǎn)線和舊的生產(chǎn)線的改造，大部分都采用了現(xiàn)場(chǎng)總線的控制技術(shù)。國(guó)外設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)更加廣泛，從單機(jī)設(shè)備到整個(gè)生產(chǎn)線的輸送系統(tǒng)，全部采用現(xiàn)場(chǎng)總線的控制方法。

CAN現(xiàn)場(chǎng)總線是基于CAN協(xié)議的一種現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN是控制網(wǎng)絡(luò)Control Area Network的簡(jiǎn)稱，即控制器局域網(wǎng)絡(luò)。與一般的通信總線相比,CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。由于其良好的性能及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線越來(lái)越受到人們的重視。CAN現(xiàn)場(chǎng)總線具有通信速率高、直接傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、幾乎可以檢測(cè)發(fā)生的任何錯(cuò)誤等一系列優(yōu)點(diǎn)。CAN的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。CAN總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。CAN已經(jīng)形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

在真正應(yīng)用于工業(yè)控制的CAN總線系統(tǒng)中，一條總線上通常連接多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)都可同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，總線則根據(jù)訪問優(yōu)先權(quán)控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)。并且不同節(jié)點(diǎn)之間可以同時(shí)接收到相同的總線數(shù)據(jù)。CAN總線系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均包含收發(fā)器與控制器。CAN收發(fā)器的功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯電平與模擬差分電平之間的轉(zhuǎn)換。而CAN控制器是用于控制數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、故障處理、仲裁等一系列邏輯功能，是CAN節(jié)點(diǎn)的主要組成部分。

CAN所具有的完善的通信協(xié)議均由控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂破鞴δ艿恼_性是CAN總線系統(tǒng)正常工作的保障。因此，對(duì)于CAN總線控制器芯片功能的測(cè)試顯得極為重要。

參考文獻(xiàn)

1、Noh D H,Kim D S.Message Scheduling on CAN Bus for Large-Scaled Ship Engine Systems[J].Ifac Proceedings Volumes,2014,47(3):7911-7916.

2、來(lái)清民.手把手教你學(xué)CAN總線[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010,109-112.

3、Andrzej,Mikulski,Maciej.On the adaptation of CAN BUS network for use in the ship electronic systems[J].Polish Maritime Research,2009,16(4):62-69.

4、宋清昆,吳立松.CAN總線智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2008,27(7):9-11。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高CAN控制器芯片測(cè)試效率并簡(jiǎn)化測(cè)試操作，本發(fā)明旨在提出高效CAN總線控制器芯片功能測(cè)試系統(tǒng)，并給出對(duì)應(yīng)的測(cè)試方法，用以實(shí)現(xiàn)在測(cè)試覆蓋率較高的情況下，簡(jiǎn)化測(cè)試操作并有效縮短CAN總線控制器芯片的測(cè)試周期。為此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，CAN控制器芯片功能測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)是，一條CAN總線連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由CAN控制器芯片，CAN收發(fā)器芯片，單片機(jī)以及上位計(jì)算機(jī)；通過(guò)上位機(jī)為單片機(jī)編寫控制程序，進(jìn)而由單片機(jī)控制CAN控制器芯片工作，通過(guò)單片機(jī)讀取通信過(guò)程中CAN控制器芯片內(nèi)部各個(gè)寄存器的情況，并將其顯示在上位機(jī)屏幕上，然后通過(guò)CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)與總線間的通信工作。

單片機(jī)模擬CAN節(jié)點(diǎn)，編寫程序控制單片機(jī)某個(gè)輸出點(diǎn)的電平信號(hào)變化，利用該電平信號(hào)模擬CAN節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)的過(guò)程。

CAN控制器芯片功能測(cè)試方法，利用如下結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)：CAN總線連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由CAN控制器芯片，CAN收發(fā)器芯片，單片機(jī)以及上位計(jì)算機(jī)；通過(guò)上位機(jī)為單片機(jī)編寫控制程序并觀察通信過(guò)程CAN控制器芯片內(nèi)部各個(gè)寄存器的情況，單片機(jī)控制CAN控制器芯片正常工作，然后通過(guò)CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)與總線間的通信工作；

測(cè)試具體步驟是：

幀的發(fā)送與接收主要測(cè)試總線與節(jié)點(diǎn)間各種幀的發(fā)送與接收情況，一方面由待測(cè)節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，由模擬節(jié)點(diǎn)給出相應(yīng)的應(yīng)答，觀察待測(cè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送完成情況；另一方面由模擬節(jié)點(diǎn)向待測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，觀察待測(cè)節(jié)點(diǎn)的接收完成情況，所述模擬節(jié)點(diǎn)為單片機(jī)模擬CAN節(jié)點(diǎn)收發(fā)電平；

仲裁測(cè)試是測(cè)試多節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線對(duì)各節(jié)點(diǎn)間多個(gè)具有不同優(yōu)先級(jí)的幀的選擇情況，測(cè)試過(guò)程中，使待測(cè)節(jié)點(diǎn)與模擬節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送優(yōu)先級(jí)不同的幀，觀察總線對(duì)幀的選擇情況；

錯(cuò)誤測(cè)試則是利用模擬節(jié)點(diǎn)發(fā)送一些具有特定錯(cuò)誤的幀，使待測(cè)節(jié)點(diǎn)接收，然后查看待測(cè)節(jié)點(diǎn)的反應(yīng)情況；

故障處理針對(duì)CAN總線系統(tǒng)工作過(guò)程中可能出現(xiàn)的通信故障，包括總線關(guān)閉、強(qiáng)迫總線關(guān)閉、被動(dòng)變主動(dòng)；編寫程序模擬故障發(fā)生情況，觀察CAN控制器對(duì)故障的處理方式是否正確；

FIFO測(cè)試是為了測(cè)試CAN控制器FIFO的讀、寫情況，通過(guò)多次向FIFO寫入、讀出多個(gè)不同長(zhǎng)度的幀，通過(guò)上位機(jī)觀察讀出的數(shù)據(jù)與CAN控制器芯片內(nèi)部各個(gè)寄存器值，分別觀察FIFO在滿、空情況下對(duì)不同長(zhǎng)度的幀的反應(yīng)情況；

其他測(cè)試步驟包含自測(cè)模式、僅聽模式、掛起傳送、單次發(fā)送。其中自測(cè)模式即為單個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部測(cè)試；僅聽模式時(shí)CAN控制器芯片不向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，僅保持接收狀態(tài)；掛起傳送指將待發(fā)送的消息掛起，不進(jìn)行發(fā)送，而是依照命令轉(zhuǎn)為其他工作模式；單次發(fā)送指的是CAN控制器芯片僅能完成發(fā)送一次工作，在發(fā)生完成后，立即進(jìn)入接收模式。

信號(hào)發(fā)生器連接到CAN控制器芯片特定引腳，用于發(fā)送設(shè)置好的特定測(cè)試信號(hào)；示波器連接到CAN總線上，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CAN總線系統(tǒng)工作過(guò)程中總線上的信號(hào)。

本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是：

CAN作為目前最流行的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，已被應(yīng)用于汽車、船舶等多個(gè)行業(yè)。為保證整個(gè)CAN總線系統(tǒng)的通信，CAN控制器功能的正確性顯得極為重要?，F(xiàn)有的測(cè)試方法邏輯性較差，整個(gè)測(cè)試過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)、消耗資源較多，并且功能覆蓋不全面。本發(fā)明提出的測(cè)試系統(tǒng)，在不影響全面功能測(cè)試的前提下，降低了硬件消耗，使系統(tǒng)規(guī)模更小，操作更加簡(jiǎn)便。結(jié)合本發(fā)明提出的測(cè)試方法，可在高覆蓋率的基礎(chǔ)上，快速，高效的完成CAN控制器芯片的功能測(cè)試。

附圖說(shuō)明：

圖1CAN總線系統(tǒng)機(jī)構(gòu)框圖。

圖2CAN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖。

圖3測(cè)試系統(tǒng)框圖。

圖4測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)有的CAN控制器芯片測(cè)試系統(tǒng)較為復(fù)雜，測(cè)試方法邏輯性較差。為提高CAN控制器芯片測(cè)試效率并簡(jiǎn)化測(cè)試操作，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種高效CAN總線控制器芯片功能測(cè)試系統(tǒng)，并給出了對(duì)應(yīng)的測(cè)試方法。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，操作簡(jiǎn)便。結(jié)合給出的測(cè)試方法，可在測(cè)試覆蓋率較高的情況下，簡(jiǎn)化測(cè)試操作并有效縮短CAN總線控制器芯片的測(cè)試周期。

CAN總線系統(tǒng)工作過(guò)程不僅涉及到節(jié)點(diǎn)自身的通訊，還涉及雙節(jié)點(diǎn)、乃至多節(jié)點(diǎn)之間的通信過(guò)程。CAN總線系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，一條總線上連接有多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)。測(cè)試過(guò)程中需模擬應(yīng)用場(chǎng)景，即一條CAN總線連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)由CAN控制器芯片，CAN收發(fā)器芯片，單片機(jī)以及上位機(jī)(計(jì)算機(jī))組成。通過(guò)上位機(jī)為單片機(jī)編寫控制程序，進(jìn)而由單片機(jī)控制CAN控制器芯片工作，通過(guò)單片機(jī)可以讀取通信過(guò)程中CAN控制器芯片內(nèi)部各個(gè)寄存器的情況，并將其顯示在上位機(jī)屏幕上，單片機(jī)控制CAN控制器芯片正常工作，然后通過(guò)CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)與總線間的通信工作。測(cè)試過(guò)程中，需選擇合適的單片機(jī)以及CAN收發(fā)器。關(guān)于單片機(jī)的選擇，考慮到此測(cè)試中所需要用到的單片機(jī)功能、操作的簡(jiǎn)便性，此處選擇STC12C5A60S2單片機(jī)用于測(cè)試。

CAN收發(fā)器的選擇是極為關(guān)鍵的，市面上流行的CAN總線收發(fā)器多為TJA1040、TJA1050和MCP2551。這幾款芯片功能相似且都極為強(qiáng)大。本測(cè)試中需要選擇CAN總線收發(fā)器是為了驗(yàn)證控制器模塊的功能正確性，測(cè)試過(guò)程中并未用到過(guò)多的收發(fā)器功能，在此測(cè)試中選用商用CAN收發(fā)器MCP2551。MCP2551作為CAN收發(fā)器符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，可以和其他遵從ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器產(chǎn)品協(xié)同操作，滿足測(cè)試要求。另外，此款收發(fā)器還具有很好的電磁兼容性以及低功耗特性。正常待測(cè)CAN節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，由待測(cè)CAN控制器芯片、STC12C5A60S2單片機(jī)、商用收發(fā)器MCP2551、上位機(jī)(計(jì)算機(jī))共同組成。

若每個(gè)節(jié)點(diǎn)都按照上述方式連接，會(huì)增加額外的硬件開銷，使測(cè)試系統(tǒng)較為龐大。此處我們利用單片機(jī)模擬CAN節(jié)點(diǎn)，編寫程序控制單片機(jī)某個(gè)輸出點(diǎn)的電平信號(hào)變化，利用該電平信號(hào)模擬CAN節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)的過(guò)程。通過(guò)該方法，可有效的簡(jiǎn)化測(cè)試系統(tǒng)，并且可以在排除其他控制器芯片影響的前提下，單獨(dú)的測(cè)試CAN總線控制器芯片。整體測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

CAN控制器功能強(qiáng)大，測(cè)試過(guò)程不可能完全覆蓋每個(gè)功能。本發(fā)明提出的測(cè)試方法，通過(guò)分析CAN總線系統(tǒng)工作過(guò)程中可能遇到的各類情況以及CAN控制器工作原理，將測(cè)試劃分為幀的發(fā)送與接收、仲裁測(cè)試、錯(cuò)誤測(cè)試、故障處理、FIFO測(cè)試、其他情況六大類。

幀的發(fā)送與接收主要測(cè)試總線與節(jié)點(diǎn)間各種幀的發(fā)送與接收情況，是各類測(cè)試的基礎(chǔ)。一方面由待測(cè)節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，由模擬節(jié)點(diǎn)給出相應(yīng)的應(yīng)答(包含正確應(yīng)答與錯(cuò)誤應(yīng)答)，觀察待測(cè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送完成情況；另一方面由模擬節(jié)點(diǎn)向待測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，觀察待測(cè)節(jié)點(diǎn)的接收完成情況。

仲裁測(cè)試是測(cè)試多節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線對(duì)各節(jié)點(diǎn)間多個(gè)具有不同優(yōu)先級(jí)的幀的選擇情況。測(cè)試過(guò)程中，使待測(cè)節(jié)點(diǎn)與模擬節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送優(yōu)先級(jí)不同的幀，觀察總線對(duì)幀的選擇情況。

錯(cuò)誤測(cè)試則是利用模擬節(jié)點(diǎn)發(fā)送一些具有特定錯(cuò)誤的幀，使待測(cè)節(jié)點(diǎn)接收，然后查看待測(cè)節(jié)點(diǎn)的反應(yīng)情況。由于每種錯(cuò)誤有唯一的反應(yīng)情況與之對(duì)應(yīng)，所以可以精確地觀察出待測(cè)CAN控制器的功能是否正確。

故障處理針對(duì)CAN總線系統(tǒng)工作過(guò)程中可能出現(xiàn)的通信故障，如總線關(guān)閉、強(qiáng)迫總線關(guān)閉、被動(dòng)變主動(dòng)等。編寫程序模擬故障發(fā)生情況，觀察CAN控制器對(duì)故障的處理方式是否正確。

FIFO測(cè)試是為了測(cè)試CAN控制器FIFO的讀、寫情況。通過(guò)多次向FIFO寫入、讀出多個(gè)不同長(zhǎng)度的幀，通過(guò)上位機(jī)觀察讀出的數(shù)據(jù)與CAN控制器芯片內(nèi)部各個(gè)寄存器值，分別觀察FIFO在滿、空情況下對(duì)不同長(zhǎng)度的幀的反應(yīng)情況。

其他情況是對(duì)以上五大類測(cè)試的補(bǔ)充，包含自測(cè)模式、僅聽模式、掛起傳送、單次發(fā)送。其中自測(cè)模式即為單個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部測(cè)試；僅聽模式時(shí)CAN控制器芯片不向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，僅保持接收狀態(tài)；掛起傳送指將待發(fā)送的消息掛起，不進(jìn)行發(fā)送，而是依照命令轉(zhuǎn)為其他工作模式；單次發(fā)送指的是CAN控制器芯片僅能完成發(fā)送一次工作，在發(fā)生完成后，立即進(jìn)入接收模式。

在本發(fā)明提出的測(cè)試系統(tǒng)中，利用上述測(cè)試方法，可快速高效的完成CAN控制器芯片的全面功能測(cè)試。

首先檢查搭建測(cè)試系統(tǒng)所需要的其他器件(單片機(jī)、收發(fā)器等)與測(cè)試儀器，測(cè)試儀器包括穩(wěn)壓電源、信號(hào)發(fā)生器、示波器。穩(wěn)壓電源用于為測(cè)試系統(tǒng)供電，連接到各測(cè)試設(shè)備的電源端口；信號(hào)發(fā)生器連接到CAN控制器芯片特定引腳，用于發(fā)送設(shè)置好的特定測(cè)試信號(hào)；示波器連接到CAN總線上，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CAN總線系統(tǒng)工作過(guò)程中總線上的信號(hào)。試確認(rèn)各器件工作正常之后，按照上述測(cè)試系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)框圖，搭建測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖4所示。依據(jù)本發(fā)明提出的測(cè)試方法，首先進(jìn)行幀的發(fā)送與接收測(cè)試，在確定測(cè)試系統(tǒng)可以正常完成幀的發(fā)送與接收工作之后，按照仲裁測(cè)試、錯(cuò)誤測(cè)試、故障處理、FIFO測(cè)試、其他情況的順序，編寫程序依次完成CAN控制器芯片的功能測(cè)試。記錄測(cè)試結(jié)果，并與理論分析結(jié)果對(duì)比。