基于CANoe的高性能测试系统解决方案

随着对于汽车功能性、安全性、舒适性等需求的日益增长，汽车上的ECU功能也变得越来越强大。部分ECU开始采用多核处理器，需要处理多个通信系统并执行复杂的控制算法，一些应用对实时性能有着极高的要求。与此同时，多总线通信的需求日益增长，通信数据量也逐步增多。这样的趋势导致测试系统对于测试工具性能的要求也随之提高。为了满足这些需求，除了配置高性能电脑外，CANoe也提供多种解决方案供用户选择，以应对不同的应用场景。

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VTP设备

VTP（Vector Tool Platform）设备中内置处理器以及操作系统，并可通过连接网络接口卡进行总线通信。VTP设备与上位机之间通过USB或网线连接，上位机通过CANoe自带的VTP或是独立的Vector Platform Manager工具即可与VTP设备进行交互，如连接、配置、控制、数据传输等。在VTP设备上，由于受第三方软件的影响较少，系统拥有更高的定时器精度和更低的延迟。VTP设备在分布式模式（Distributed Mode）下仅运行CANoe的Runtime Kernel，可减少分析窗口和图形系统对实时部分的影响，特别适用于对实时性能要求较高的应用场景。此外，部分VTP设备还额外支持扩展实时模式（Extended Real Time Mode），包含额外的实时操作系统用于执行实时任务，可进一步改善定时器精度和延迟，提升系统的整体性能。

图1 VTP设备

目前常用的VTP设备及各自支持的运行模式如下：

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分布式模式

为了解耦实时操作，CANoe可拆分为分析部分和仿真执行部分。前者用于执行分析功能以及相关GUI的显示，后者则是CANoe的Runtime Kernel，用于执行仿真和测试功能。通常情况下，用户会采用PC+硬件接口卡的连接方式，此时这两部分都运行在同一台电脑上，称为接口卡模式（Interface Mode），如图2所示。如果采用PC+VTP设备+硬件接口卡的连接方式，则可让分析和仿真分别运行在不同的设备上，其中上位机仅运行分析部分，仿真部分在VTP设备上运行，这就是分布式模式（图3）。

图2 接口卡模式

图3 分布式模式

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扩展实时模式

扩展实时模式下，VTP设备内部会分为两个逻辑区域，一个用于常规仿真测试的执行，另一个用于实时任务的执行，可大幅提高实时性能，如下图所示。扩展实时模式可在实时条件下执行CAPL程序和MATLAB仿真模型，此时程序和模型的执行间隔可达到微秒级。此外，部分CAN/CAN FD总线接口卡也支持搭配VTP设备工作在扩展实时模式下，在仿真发送短周期报文时拥有更稳定的表现。扩展实时模式下，用户也可以使用VT板卡实现对I/O信号的读写，可对测量值进行更高频率的采样，传输周期可低至200μs。

图4 扩展实时模式

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Multi CANoe

如果使用一台计算机以及配合VTP设备仍然无法满足仿真、分析和测试任务对性能的需求，另一种解决方案是切换到Multi CANoe环境。即将一个CANoe工程拆分成多个不同的实例，运行在同一台或多台计算机上，从而充分利用多核处理器以及多台计算机的资源。任务可以按需分配到不同的Multi CANoe实例中，每个CANoe实例均有自己的用户界面和Runtime Kernel，CANoe实例之间可通过自动建立的FDX（Fast Data Exchange）连接进行数据交换。

所有CANoe实例中会有一个作为Master，其他则充当Slave。仅Master需要CANoe Pro/Run的License，Slave端使用价格更低的CANoe Slave License即可。作为Master的CANoe实例可以控制所有实例的运行，通过同步线及同步盒的连接，可使不同CANoe实例使用的接口卡设备之间实现时戳同步。

图5 Multi CANoe环境

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运行同步

任意Multi CANoe实例尝试启动工程时，都会向Master发送Start请求。Master随后将Start命令发送给所有Multi CANoe实例，它们在收到Master的Start命令后都会启动各自的工程，并将状态反馈给Master。在此期间，CANoe实例处于准备运行状态，但并不会处理任何事件。当Master检测到所有CANoe实例都反馈了准备启动状态后，会通过硬件同步线发送同步脉冲作为所有实例的初始时戳0，此后CANoe实例才会正式启动并开始处理事件，从而实现所有CANoe实例的同步运行。

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时间同步

不同CANoe实例使用的总线通信硬件接口卡通常都是不一样的，接口卡之间可以通过同步线或是同步盒连接来实现时间同步。作为Time Master的接口卡会从同步口发出同步脉冲，其他接口卡通过检测该脉冲实现同步。接口卡数量越多，传输同步脉冲耗费的时间就越长，脉冲的跳变沿质量也越差，这种情况下可以使用主动同步盒（Multi SYNCbox Active）进行补偿，通过驱动10个有源输出来放大传入的同步脉冲，确保10个输出脉冲的发送时间之间几乎不会存在偏移，并且输出相对输入的延迟是恒定的，可在测量后在CANoe的配置文件（can.ini）中设置，以便进行补偿。

图6 基于Multi SYNCbox Active的时间同步

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测试配置示例

目前，汽车电子电气架构正在向集中化和区域化的趋势转变，高性能计算机（HPC）和区域控制器（ZCU）也将扮演越来越重要的角色。在对HPC/ZCU进行测试的过程中，需要用到的CAN/CANFD、LIN、Ethernet等总线通道的数量较多，每个总线通道上需要仿真的环境或使用的模型都可能很复杂，传输的数据量通常也非常巨大。此时，在一台电脑上运行所有的仿真很可能会遇到性能瓶颈。对于这种场景，用户可以考虑将Multi CANoe与VTP设备结合使用，根据实际的复杂度将工程分解为合适数量的CANoe实例，分别运行在不同的VTP设备或PC中，从而满足HPC/ZCU等复杂控制器的仿真测试需求。

下图展示了一个测试配置的示例，整个测试工程被拆分成4个CANoe实例，其中实例CANoe1运行在VTP设备（RT Rack1）上，连接多块VN7572用于多路CAN/CAN FD/LIN总线通信，外接的上位机PC1用于运行CANoe1的分析部分；实例CANoe2和实例CANoe3运行在同一台工控机IPC2上，分别使用VN1531和VN5650用于CAN/CAN FD和Ethernet通信；实例CANoe4运行在一台单独的工控机IPC3上，连接VN5650专门用于Ethernet通信。

图7 测试配置示例

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展望

CANoe架构一直在不断的优化和升级，CANoe版本及服务包的每次更新，都伴随着性能的显著提升。以Ethernet通信为例，在复杂工程中进行大量数据交互的场景中，CANoe17相较CANoe15已实现了超过3倍的性能优化。未来的软件版本还将持续更新优化，逐步支持多进程、多核运行等，以便充分利用处理器资源，实现性能的进一步提升。