联合仿真模型的汽车网关自动化测试系统设计

李璐 张明路 刘欢 张改萍 张小俊

（1.河北工业大学，天津 300130；2.中国汽车技术研究中心，天津 300000）

主题词：汽车网关 自动化测试 仿真模型

1 前言

随着消费者对汽车的动力性、经济性、舒适性和安全性的要求越来越高[1-2]，导致汽车中的控制模块逐渐增多，控制的复杂性也不断提高，传输的数据量增大，使得各模块的信息交换更加密集。网关模块作为不同CAN网段之间的交互通道，是保证整车正常运行的关键，因此必须对其通信行为进行测试和验证。

传统的网关测试多为手动测试，随着传感器数量的增多，手动测试系统因连线困难[3]，且测试时间长、误差大，已不能满足网关的测试需求。基于此，设计了一种网关自动化测试系统，该测试系统采用仿真模型（Simulation Model）模拟被测样件（DUT）所在网段的报文发送，可以最大限度地还原实车状态，使得测试结果更准确可靠，实时性更好。

2 网关自动化测试系统组成及工作原理

网关自动化测试系统由测试平台软件CANoe和基于Labview软件开发的测试管理系统组成。系统软件逻辑架构如图1所示。

图1 自动测试系统软件逻辑架构

测试平台软件CANoe具有分布式系统设计、仿真、测试、评估等功能，且其自带的数据管理工具CANdb++可创建和修改数据库[4-5]，其建模语言CAPL用于编写测试脚本和Simulation Model。

测试管理系统具有控制程控电源等硬件的程控接口[5-8]，用于人员管理测试、任务配置测试、数据统计、测试报告输出等。

网关自动化测试系统主要针对网关模块（GW）的测试开发，典型网关模块GW一般包含动力网段PCAN和车身网段BCAN，典型网关系统[4-7]如图2所示。网关测试的主要任务是检测PCAN与BCAN之间的信息交换，即网关路由。网关路由类型可细分为报文路由和信号路由[6]。实际测试时，接入测试样件网关，利用CAPL编写的Simulation Model对全网段节点总线通信进行仿真，模拟网关实车网络工作环境。

图2 某厂家网关系统示意

网关自动化测试系统测试流程为：

a. 导入测试所需各类文件，如DUT配置表、网关路由表、车载网络通信数据库（DBC）等；

b.配置测试任务，点击运行按钮开始测试；

c.系统按照测试脚本进行电源控制、配置盒控制、总线仿真及监控等工作；

d. 测试完成，自动生成测试报告。

测试过程中会记录包含总线信息的asc文件，根据asc文件中的报文或信号值及发送时间可对测试结果进行验证。验证结束后，测试管理系统对测试数据进行分析，为网关整改升级提供依据。

3 网关自动化测试系统硬件设计

该测试系统硬件主要由机柜和台架组成，机柜集成了Vector工具链、工控机、供电电源、示波器及配置盒等，台架用于安装被测样件和负载，如图3所示。

图3中，Vector工具链包括总线测试设备VN1640A和总线干扰设备CANstressDR，VN1640A搭载的4路总线通道支持总线分析、总线仿真等工作，CANstressDR负责对总线进行干扰从而产生错误帧，在BusOff相关测试中使用，VN1640A与CANstressDR之间采用同步线连接，确保时间的一致性；示波器用于波形显示、记录及数据评价；程控电源用于DUT及负载的供电，具备RS232或以太网接口，通过该接口控制电源输出电压的大小；配置盒具有总线终端电阻配置、制造和恢复线故障等功能。

图3 系统硬件组成

CAN总线电阻配置通过继电器控制，保证总线终端电阻的阻值为60 Ω。线故障包括CAN总线对电源和对地短路、CANH与CANL短路等。CAN总线采用实车双绞线束，以提高总线抗干扰能力[9]。

4 网关自动化测试系统程序设计

测试系统程序主要包括信息交互程序、测试脚本和Simulation Model三部分。信息交互程序承担测试管理系统与测试平台软件CANoe之间的交互、测试管理系统与被控硬件的交互[10-11]、网关路由表信息提取等工作。

网关测试前需要填写网关路由表，填写示例见表1。表1中“路由属性”列的0、1、2、3分别对应无关报文路由、相关报文路由、无关信号路由和相关信号路由。通过测试管理系统可将表中的信息提取为ANeT_WG_ROUTinfo.cin文件，便于测试系统的测试调用。

表1 网关路由表（示例）

测试脚本为测试系统程序的核心部分，其作用是控制硬件配置测试环境、控制测试逻辑、规定评价标准、记录测试数据等。其中测试逻辑根据测试用例编写，应符合测试厂家《网关自动化测试规范》的要求。

Simulation Model用于模拟网段节点报文的发送与停止，其仿真数据来源于网关所包含的网段DBC。DBC包含节点报文的ID、周期等信息。Simulation Model不仅可以控制节点及报文的发送与停止，还可以实时改变信号值。由于网关路由对时间要求较严格，因此，在报文或信号的信息采集时，得到源网段与目标网段之间信号转发时间的差值是测试难点，而Simulation Model中信号值的不断变化，再加上恰当的算法对数据进行处理，可以较容易得到该时间差值。

5 测试用例分类及典型测试用例分析

5.1 测试用例分类

网关测试用例主要分为相关路由报文测试、无关路由报文测试、相关路由信号测试、无关路由信号测试4类。对于报文路由，需要检测整帧报文值，而对于信号路由，则需要从记录的报文值中提取信号值。

CAN总线编码格式分为Motorola(大结尾格式)及Intel(小结尾格式)两种[6-7]，提取时需要不同的提取策略。报文编码格式如图4所示。

图4 报文编码格式

5.2 典型测试用例

a.相关报文正常路由行为。该测试用例的测试流程为：提取相关路由报文的信息，包括源网段、目标网段、报文ID、报文周期等；控制供电电源输出14.5V电压为DUT供电；模拟相关路由报文及其他非路由报文的发送，并每发送一帧相关路由报文就改变其报文值；同时监测源网段和目标网段，记录转发是否正确，若正常转发，则检测其转发报文值是否正确；检测完成后停止模拟报文的发送。相关报文正常路由行为测试流程如图5所示。

测试过程中进行源网段与目标网段的报文ID及qword（0）值对比，若路由间隔时间Δt后所记录目标的ID与源ID一致，则结果正确。

图5 相关报文正常路由行为测试流程图

b.源网段总线对电源短路时的相关报文路由行为。该测试用例的测试流程为：提取相关路由报文信息；控制供电电源输出14.5 V电压为DUT供电；模拟相关路由报文及其它非路由报文的发送，并每发送一帧相关路由报文就改变其报文值；控制配置盒制造CANH对电短路故障，一定时间后再制造CANL对电源短路的故障，记录网关所包含网段的报文发送；控制配置盒恢复CANH对电源短路故障，一定时间后再制造CANL对电源短路故障，记录网关所包含网段的报文发送；控制配置盒恢复CANL对电源短路故障，一定时间后再制造CANH与CANL同时对电源短路故障，记录网关所包含网段的报文发送；控制配置盒清除故障。源网段总线对电源短路时的相关报文路由行为测试流程如图6所示。

图6 源网段总线对电源短路时的相关报文路由行为测试流程

在源网段总线故障下，目标网段不发送Error Frame，且故障消除后恢复正常路由的时间应满足Trecover≤300 ms。

利用该测试系统对某厂家的网关样件进行了测试，3次不同故障恢复时间分别为T1=20.23 ms、T2=190.85 ms、T3=202.52 ms。标准恢复时间为ST=300 ms，考虑继电器动作时间，则偏差时间为Δt=3 ms，则误差a为：

将各值带入式(1)，得测试误差为1%左右，厂家要求的误差范围为±10%，则该测试精度满足要求。

c.无关信号路由丢帧率。该测试用例的测试流程为：提取无关路由信号信息；控制供电电源输出14.5 V电压为DUT供电；在其它报文正常模拟发送情况下，模拟源网段发送无关路由信号5 000帧；记录目标网段的相应报文转发数量RoutCount。无关信号路由丢帧率测试流程见图7。

丢帧率rate计算式为：

式中，R为源网段报文周期与目标网段相应报文周期的比值；SC为源网段报文周期；TC为目标网段报文周期；TN为目标网段报文转发数量。

测试过程中记录源网段与目标网段的报文数量，通过式（2）计算丢帧率，其应满足rate≤0.1%。利用该测试系统对某厂家的网关样件进行了测试，通过与手动测试对比表明，该网关自动化测试系统的测试结果无关信号丢帧率为0%，即转发未丢失。

6 结束语

为提高汽车网关模块测试效率，设计了联合Simulation Model的网关自动化测试系统。该测试系统以CANoe和LabVIEW作为基础软件，使用CAPL语言进行测试程序编写，执行效率高且便于进行二次开发。经过实际使用和测试验证表明，与手动测试相比，该系统操作简便，测试内容比更加全面，且测试结果无关信号丢帧率为0%，较好地完成了汽车网关模块的测试。本系统扩展性较强，可实现诸如CAN单节点、CAN系统集成、网络管理等测试。