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

背景技術：

現(xiàn)場總線(Field bus)是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線。它是應用在現(xiàn)場的，在測量控制設備之間實現(xiàn)雙向、串行、多點通信的數(shù)字通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術支持。由于現(xiàn)場總線簡單、可靠、經濟實用等一系列突出的優(yōu)點，因而受到了許多標準團體和計算機廠商的高度重視?，F(xiàn)場總線技術自推廣以來，已經在世界范圍內應用于冶金、汽車制造、煙草機械、環(huán)境保護、石油化工、電力能源、紡織機械等多個領域。在汽車行業(yè)，現(xiàn)場總線控制技術應用的非常普遍，近兩年國內新的汽車生產線和舊的生產線的改造，大部分都采用了現(xiàn)場總線的控制技術。國外設計的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)更加廣泛，從單機設備到整個生產線的輸送系統(tǒng)，全部采用現(xiàn)場總線的控制方法。

CAN現(xiàn)場總線是基于CAN協(xié)議的一種現(xiàn)場總線。CAN是控制網(wǎng)絡Control Area Network的簡稱，即控制器局域網(wǎng)絡。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、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設計，CAN總線越來越受到人們的重視。CAN現(xiàn)場總線具有通信速率高、直接傳輸距離遠、抗干擾能力強、幾乎可以檢測發(fā)生的任何錯誤等一系列優(yōu)點。CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等方面。CAN總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術支持。CAN已經形成國際標準，并已被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。

在真正應用于工業(yè)控制的CAN總線系統(tǒng)中，一條總線上通常連接多個CAN節(jié)點。網(wǎng)絡中各個節(jié)點都可同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，總線則根據(jù)訪問優(yōu)先權控制各個節(jié)點。并且不同節(jié)點之間可以同時接收到相同的總線數(shù)據(jù)。CAN總線系統(tǒng)中的每個節(jié)點均包含收發(fā)器與控制器。CAN收發(fā)器的功能是實現(xiàn)數(shù)字邏輯電平與模擬差分電平之間的轉換。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)議均由控制器來實現(xiàn)?？刂破鞴δ艿恼_性是CAN總線系統(tǒng)正常工作的保障。因此，對于CAN總線控制器芯片功能的測試顯得極為重要。

參考文獻

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、來清民.手把手教你學CAN總線[M].北京:北京航空航天大學出版社,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)點設計[J].自動化技術與應用,2008,27(7):9-11。

技術實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術的不足，提高CAN控制器芯片測試效率并簡化測試操作，本發(fā)明旨在提出高效CAN總線控制器芯片功能測試系統(tǒng)，并給出對應的測試方法，用以實現(xiàn)在測試覆蓋率較高的情況下，簡化測試操作并有效縮短CAN總線控制器芯片的測試周期。為此，本發(fā)明采用的技術方案是，CAN控制器芯片功能測試系統(tǒng)，結構是，一條CAN總線連接多個節(jié)點，每個節(jié)點由CAN控制器芯片，CAN收發(fā)器芯片，單片機以及上位計算機；通過上位機為單片機編寫控制程序，進而由單片機控制CAN控制器芯片工作，通過單片機讀取通信過程中CAN控制器芯片內部各個寄存器的情況，并將其顯示在上位機屏幕上，然后通過CAN收發(fā)器實現(xiàn)CAN節(jié)點與總線間的通信工作。

單片機模擬CAN節(jié)點，編寫程序控制單片機某個輸出點的電平信號變化，利用該電平信號模擬CAN節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)的過程。

CAN控制器芯片功能測試方法，利用如下結構實現(xiàn)：CAN總線連接多個節(jié)點，每個節(jié)點由CAN控制器芯片，CAN收發(fā)器芯片，單片機以及上位計算機；通過上位機為單片機編寫控制程序并觀察通信過程CAN控制器芯片內部各個寄存器的情況，單片機控制CAN控制器芯片正常工作，然后通過CAN收發(fā)器實現(xiàn)CAN節(jié)點與總線間的通信工作；

測試具體步驟是：

幀的發(fā)送與接收主要測試總線與節(jié)點間各種幀的發(fā)送與接收情況，一方面由待測節(jié)點向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，由模擬節(jié)點給出相應的應答，觀察待測節(jié)點的發(fā)送完成情況；另一方面由模擬節(jié)點向待測節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，觀察待測節(jié)點的接收完成情況，所述模擬節(jié)點為單片機模擬CAN節(jié)點收發(fā)電平；

仲裁測試是測試多節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線對各節(jié)點間多個具有不同優(yōu)先級的幀的選擇情況，測試過程中，使待測節(jié)點與模擬節(jié)點同時向總線發(fā)送優(yōu)先級不同的幀，觀察總線對幀的選擇情況；

錯誤測試則是利用模擬節(jié)點發(fā)送一些具有特定錯誤的幀，使待測節(jié)點接收，然后查看待測節(jié)點的反應情況；

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

FIFO測試是為了測試CAN控制器FIFO的讀、寫情況，通過多次向FIFO寫入、讀出多個不同長度的幀，通過上位機觀察讀出的數(shù)據(jù)與CAN控制器芯片內部各個寄存器值，分別觀察FIFO在滿、空情況下對不同長度的幀的反應情況；

其他測試步驟包含自測模式、僅聽模式、掛起傳送、單次發(fā)送。其中自測模式即為單個CAN總線節(jié)點的內部測試；僅聽模式時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，不進行發(fā)送，而是依照命令轉為其他工作模式；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，立即進入接收模式。

信號發(fā)生器連接到CAN控制器芯片特定引腳，用于發(fā)送設置好的特定測試信號；示波器連接到CAN總線上，用于實時監(jiān)測CAN總線系統(tǒng)工作過程中總線上的信號。

本發(fā)明的特點及有益效果是：

CAN作為目前最流行的現(xiàn)場總線之一，已被應用于汽車、船舶等多個行業(yè)。為保證整個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。現(xiàn)有的測試方法邏輯性較差，整個測試過程耗時較長、消耗資源較多，并且功能覆蓋不全面。本發(fā)明提出的測試系統(tǒng)，在不影響全面功能測試的前提下，降低了硬件消耗，使系統(tǒng)規(guī)模更小，操作更加簡便。結合本發(fā)明提出的測試方法，可在高覆蓋率的基礎上，快速，高效的完成CAN控制器芯片的功能測試。

附圖說明：

圖1CAN總線系統(tǒng)機構框圖。

圖2CAN節(jié)點結構框圖。

圖3測試系統(tǒng)框圖。

圖4測試系統(tǒng)實物圖。

具體實施方式

現(xiàn)有的CAN控制器芯片測試系統(tǒng)較為復雜，測試方法邏輯性較差。為提高CAN控制器芯片測試效率并簡化測試操作，本發(fā)明設計了一種高效CAN總線控制器芯片功能測試系統(tǒng)，并給出了對應的測試方法。該系統(tǒng)結構清晰，操作簡便。結合給出的測試方法，可在測試覆蓋率較高的情況下，簡化測試操作并有效縮短CAN總線控制器芯片的測試周期。

CAN總線系統(tǒng)工作過程不僅涉及到節(jié)點自身的通訊，還涉及雙節(jié)點、乃至多節(jié)點之間的通信過程。CAN總線系統(tǒng)整體結構圖如圖1所示，一條總線上連接有多個CAN節(jié)點。測試過程中需模擬應用場景，即一條CAN總線連接多個節(jié)點。每個節(jié)點由CAN控制器芯片，CAN收發(fā)器芯片，單片機以及上位機(計算機)組成。通過上位機為單片機編寫控制程序，進而由單片機控制CAN控制器芯片工作，通過單片機可以讀取通信過程中CAN控制器芯片內部各個寄存器的情況，并將其顯示在上位機屏幕上，單片機控制CAN控制器芯片正常工作，然后通過CAN收發(fā)器實現(xiàn)CAN節(jié)點與總線間的通信工作。測試過程中，需選擇合適的單片機以及CAN收發(fā)器。關于單片機的選擇，考慮到此測試中所需要用到的單片機功能、操作的簡便性，此處選擇STC12C5A60S2單片機用于測試。

CAN收發(fā)器的選擇是極為關鍵的，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大。本測試中需要選擇CAN總線收發(fā)器是為了驗證控制器模塊的功能正確性，測試過程中并未用到過多的收發(fā)器功能，在此測試中選用商用CAN收發(fā)器MCP2551。MCP2551作為CAN收發(fā)器符合ISO11898標準，可以和其他遵從ISO11898標準的收發(fā)器產品協(xié)同操作，滿足測試要求。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CAN節(jié)點的結構圖如圖2所示，由待測CAN控制器芯片、STC12C5A60S2單片機、商用收發(fā)器MCP2551、上位機(計算機)共同組成。

若每個節(jié)點都按照上述方式連接，會增加額外的硬件開銷，使測試系統(tǒng)較為龐大。此處我們利用單片機模擬CAN節(jié)點，編寫程序控制單片機某個輸出點的電平信號變化，利用該電平信號模擬CAN節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)的過程。通過該方法，可有效的簡化測試系統(tǒng)，并且可以在排除其他控制器芯片影響的前提下，單獨的測試CAN總線控制器芯片。整體測試系統(tǒng)結構框圖如圖3所示。

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

幀的發(fā)送與接收主要測試總線與節(jié)點間各種幀的發(fā)送與接收情況，是各類測試的基礎。一方面由待測節(jié)點向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，由模擬節(jié)點給出相應的應答(包含正確應答與錯誤應答)，觀察待測節(jié)點的發(fā)送完成情況；另一方面由模擬節(jié)點向待測節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，觀察待測節(jié)點的接收完成情況。

仲裁測試是測試多節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線對各節(jié)點間多個具有不同優(yōu)先級的幀的選擇情況。測試過程中，使待測節(jié)點與模擬節(jié)點同時向總線發(fā)送優(yōu)先級不同的幀，觀察總線對幀的選擇情況。

錯誤測試則是利用模擬節(jié)點發(fā)送一些具有特定錯誤的幀，使待測節(jié)點接收，然后查看待測節(jié)點的反應情況。由于每種錯誤有唯一的反應情況與之對應，所以可以精確地觀察出待測CAN控制器的功能是否正確。

故障處理針對CAN總線系統(tǒng)工作過程中可能出現(xiàn)的通信故障，如總線關閉、強迫總線關閉、被動變主動等。編寫程序模擬故障發(fā)生情況，觀察CAN控制器對故障的處理方式是否正確。

FIFO測試是為了測試CAN控制器FIFO的讀、寫情況。通過多次向FIFO寫入、讀出多個不同長度的幀，通過上位機觀察讀出的數(shù)據(jù)與CAN控制器芯片內部各個寄存器值，分別觀察FIFO在滿、空情況下對不同長度的幀的反應情況。

其他情況是對以上五大類測試的補充，包含自測模式、僅聽模式、掛起傳送、單次發(fā)送。其中自測模式即為單個CAN總線節(jié)點的內部測試；僅聽模式時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，不進行發(fā)送，而是依照命令轉為其他工作模式；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，立即進入接收模式。

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

首先檢查搭建測試系統(tǒng)所需要的其他器件(單片機、收發(fā)器等)與測試儀器，測試儀器包括穩(wěn)壓電源、信號發(fā)生器、示波器。穩(wěn)壓電源用于為測試系統(tǒng)供電，連接到各測試設備的電源端口；信號發(fā)生器連接到CAN控制器芯片特定引腳，用于發(fā)送設置好的特定測試信號；示波器連接到CAN總線上，用于實時監(jiān)測CAN總線系統(tǒng)工作過程中總線上的信號。試確認各器件工作正常之后，按照上述測試系統(tǒng)的組成及結構框圖，搭建測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)實物圖如圖4所示。依據(jù)本發(fā)明提出的測試方法，首先進行幀的發(fā)送與接收測試，在確定測試系統(tǒng)可以正常完成幀的發(fā)送與接收工作之后，按照仲裁測試、錯誤測試、故障處理、FIFO測試、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試。記錄測試結果，并與理論分析結果對比。