基于Saber仿真软件的汽车总线物理层研究

王娟

摘要：本文阐述通过Saber仿真软件对汽车总线物理层进行仿真分析，目的保证数据帧在总线上传输安全性和完整性，确保数据帧在物理层传输时不发生畸变或者失真，本文重点介绍了仿真软件Saber采用分析方法（蒙特卡洛和怕累托）和建模思路，以及在实际项目中开发应用情况。

关键词：蒙特卡洛；怕累托；应力分析；灵敏度

一、绪论

（一）汽车总线

现在几乎所有车型都采用CAN总线技术，从几万元的A级车到几十万元的E级车上广泛使用CAN网络技术，通常情况下整车CAN网络分为动力CAN、车身CAN、娱乐信息CAN和诊断CAN，如图1所示。动力CAN通常包括发动机电喷ECU、电子转向控制EPS、自动变速器TCU以及電动车相关控制器，车身CAN通常包括一键启动ECU、自动空调ECU、T-BOX、组合仪表、胎压监测ECU和车身控制器等，娱乐信息CAN通常由音响系统、360环视ECU，LDW等组成，诊断CAN由诊断接口和外部诊断仪组成。

（二）CAN总线技术要求

近几年来，汽车总线应用十分广泛，几乎所有的车型均采用总线技术，ISO标准化组织相应制定汽车总线通讯标准，如物理层及数据链路层IS011898-1，高速率总线物理层及数据链路层IS011898-2等。这些IS011898标准业已成为国内外主机厂物理层及数据链路层通讯规范，采用Saber软件进行总线物理层仿真，主要就是在虚拟环境中观察数据帧在总线拓扑传输中是否满足IS011898标准要求，同时分析出网络拓扑及元器件性能对数据帧传输影响大小，避免在SOP装车后出现数据帧失真或者畸变发生。

（三）基于Saber软件仿真的意义

我们用专业仿真软件Saber对汽车各个控制器通讯模块进行建模，同时模拟出控制器在整车上的位置，即在不同网络拓扑中所处于的位置，模拟各种应用场景下数据帧在各个控制器传输，自动统计与监测网络信号传输状态，自动判断其是否满足通讯标准，由于Saber仿真软件模型是建立在各个元器件库性能参数基础上，相似度达到90%以上，采用了帕累托和蒙特卡洛分析方法对畸变或失真的数据帧进行分析，得出产生畸变或失真现象的主要因素，并计算出其相关度。根据计算出的数据，优化控制器通讯参数和网络拓扑，进行应力分析和失效模式分析，不断修正控制器通讯参数以及网络拓扑。

由此可见，运用Saber仿真软件可以在实际装车前对数据帧传输可靠性进行模拟仿真验证，及时发现出网络拓扑及控制器本身质量引起信号失真，这对于整车网络平台开发有着重要意义，几乎避免80%由于数据帧传输引起的故障，为主机厂选用元器件提供了理论依据，极大节约开发时间及开发成本，特别在汽车网络复杂情况下，使数据帧传输可靠性与安全性得到极大的保证。

二、Saber软件建模流程

（一）Saber软件介绍

Saber仿真软件是美国svnopsys公司的一款EDA软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品，为复杂的混合信号设计与验证提供了一个功能强大的混合信号仿真器，兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，可以解决从系统开发到详细设计验证等一系列问题。

（二）建模流程

Saber软件建模流程如下图l：

（三）灵敏度分析

对设计参数进行微小的改变，然后计算出其对性能指标的影响，灵敏度计算公式如图2

（四）蒙特卡洛统计分析

蒙特卡洛分析在指定的器件精度范围内（比如终端匹配电阻值120±1%变化范围118.8-121.2），随机改变元件参数，并对每个取值执行特定的分析。蒙特卡洛分析主要用于模拟设计量产时元器件精度偏差对系统性能可能产生的影响，每一个取值相当于量产时的一套系统，蒙特卡洛分析最终从统计的角度研究系统中所有元器件的精度偏差加在一起时系统的性能边界。使用Saber对CAN总线系统进行物理层信号传输分析时需要对系统中的各个元器件设置参数容差（即器件精度），便于仿真器根据偏差量改变元件参数。

（五）帕累托分析

帕累托分析是一种统计分析方法，通过对蒙特卡洛仿真结果进行分析，计算性能指标变化和各参数变化之间的相关性，计算结果用来获得“统计灵敏度”，即与百分之一参数变化相关的指标值变化百分比。

1.元器件应力分析

主要用来评价系统中各个元器件是否工作在安全工作区以内（比如电阻的功耗、收发器的耐压等）。

应力分析主要计算元器件的应力比，并根据应力比大小进行排序，生成应力分析报告，给出系统电路中各元器件的应力状况。

2.故障模式及影响分析

故障模式及影响分析通过仿真的手段模拟系统电路在元器件发生故障情况下的行为，并评估器件故障对性能的影响。

Saber的故障模式分析工具能够帮助设计师在系统设计中设置并运行故障模式试验。在故障模式分析过程中，部件可通过多种方式并在指定的时间引发故障。在某个故障发生时，Saber可以继续执行仿真，设计师就可以研究这项故障是如何影响性能的。故障失效模式分析的结果为故障模式分析报告，分析报告给出在元器件故障时，性能的功能（比如信号的传输）是否失效，系统性能指标是否损失。endprint