Virtual prototyping of the CAN physical layer using VHDL-AMS

Abstract

In den letzten Jahren hat sich der Planungs-, Design- und Umsetzungsprozess bei der Entwicklung von elektronischen Schaltkreisen grundlegend verändert. Vor allem das virtuelle Prototyping hat wesentlich zur Veränderung beigetragen, zumal erkannt wurde, dass die Verwendung eines computerbasierten Simulationsmodells physischer Prototypen anstelle des Baus wirklicher Prototypen die Entwicklungs- und Herstellungskosten von elektronischen Produkten entscheidend senken kann und erhebliche Zeitersparnisse mit sich bringt.<br />Ein möglicher Anwendungsbereich von virtuellem Prototyping sind moderne Netzwerke in Fahrzeugen. Da dies äußerst komplexe Hochgeschwindigkeits-CAN-Netzwerke mit immer mehr Motorsteuergeräten und Funktionalitäten sind, stellt das Entwerfen von geeigneten Architekturen und Topologien für die physikalische Schicht des CAN eine Herausforderung für die Designer und Designerinnen dar. Insbesondere muss dabei das schwer berechenbare Verhalten von CAN-Systemen auf der physikalischen Ebene, das auf die sehr komplizierten Buskonfigurationen zurückzuführen ist, analysiert werden, was sehr zeit- und kostenintensiv ist. Aufgrund des großen Bedarfs an Analyse- und Prüfungsmethoden für solch kritische Designs bieten sich Simulationen an, um das Übertragungsverhalten zu analysieren und die Parameter zu identifizieren, die die Signalintegrität maßgeblich beeinflussen. Solche Simulationen müssen jedoch exakt und zuverlässig sein. Um die Zuverlässigkeit und Qualität von CAN-Netzwerken zu verbessern, ist eine umfassende und zuverlässige Simulationsumgebung für komplexe Netzwerkkonfigurationen erforderlich. Zur Erreichung dieses Ziels müssen die Simulationsmodelle auf ihre Übereinstimmung mit physikalischen Modellen überprüft werden. Im Zuge dieser Studie wurden mehrere Überprüfungsmethoden untersucht. Allerdings konzentrieren sich diese entweder auf eine Überprüfung von Simulationsmodellen auf einer konzeptuellen Ebene oder auf die Betrachtung einzelner Komponenten, weshalb sie auch nicht belegen, ob die Simulationssysteme die Wirklichkeit widerspiegeln. Das Ziel dieser Dissertation besteht darin, die Entwicklungszeit zu reduzieren sowie das Risiko von Fehlern im CAN-Netzwerk in den frühen Entwicklungsphasen zu verringern, indem exakte Modelle der Komponenten der physikalischen Schicht des CAN (z. B.<br />ein CAN-Sendeempfängermodell, ein Drosselmodell, ein Übertragungsleitungsmodell, ein Terminierungsschaltungsmodell und auch ein Messausrüstungsmodell) sowie eine zuverlässige Simulationsmethodik bereitgestellt werden. Diese Modelle werden jedoch nicht nur entwickelt und in einem Systemzusammenhang simuliert, sondern sie werden auch mit den Messungen eines gesamten Netzwerks verglichen, mit dem Ergebnis, dass die Simulationen weitgehend mit den Messungen übereinstimmen. Zudem werden nicht standardisierte Netzwerktopologien unter Verwendung der entwickelten Simulationsmethodik und der Simulationsmodelle der physischen Schicht des CAN überprüft, um die Verkabelungsflexibilität der physikalischen Schicht von CAN-Netzwerken zu erhöhen. Überdies erlauben es die daraus resultierenden Modelle und die Simulationsmethodik, verschiedene ungünstigste Szenarios zu untersuchen.<br />Das Verhalten des gesamten Netzwerks kann besser verstanden werden, bevor das eigentliche Netzwerk umgesetzt wird. Zu guter Letzt kann die Kommunikation zwischen Zulieferunternehmen und Herstellern verbessert werden, indem die Komponenten der physikalischen Schicht des CAN in einer Schaltungsanwendungsumgebung simuliert werden.<br />

In the last years, the process of conceiving, designing, and implementing electronic products has changed dramatically. In this context, especially virtual prototyping has contributed to these changes as it was found out that using a computer-based simulation model of physical prototypes rather than hardware prototyping can significantly reduce the development and production costs of electronic products and save a lot of time.<br />A possible application area of virtual prototyping is modern in-vehicle networks. As they are very complex high-speed CAN networks with an ever increasing number of ECUs and functionalities, designing appropriate architectures and topologies for the CAN physical layer poses a challenge for designers and engineers. In particular the erratic transmission behavior of CAN systems on the physical level, which can be attributed to very complicated bus configurations, has to be analyzed, which is very time‐consuming and expensive. As there is a high demand for the analysis and verification of such critical designs, simulations lend themselves to the analysis of the transmission behavior and to the indication of the parameters which influence the signal integrity. However, such simulations have to be accurate and reliable.<br />Improving the reliability and quality of CAN networks requires a comprehensive and reliable simulation environment for complex communication network setups. In order to achieve this objective, simulation models need to be verified in terms of their accuracy in comparison to physical models. In the course of this study, several verification techniques have been examined. However, these methods mostly concentrate on the verification of the simulation models either on a conceptual level or in terms of individual components and hence do not prove that the simulation system reflects the real situation. This thesis project aims to reduce the development time and risk of CAN network failures in the early stages of their development by providing accurate models of the CAN physical layer components (e.g. the CAN transceiver model, the choke coil model, the transmission line model, the termination circuit model, and also the model of measurement equipments) and a reliable simulation methodology. These models are not only modeled and simulated together in a system context, but they are also compared to the measurement of a complete network, with the result that the simulations corresponded to the measurement. Moreover, non standard network topologies using the simulation methodology developed and CAN physical layer simulation models are validated in order to improve the wiring flexibility on the physical layer of the CAN network.<br />Apart from that, the resulting models and simulation methodology also allow CAN designers to investigate different worst-case scenarios. The entire network behavior can be better understood prior to implementing the actual network. Finally yet importantly, the communication between the Tier-2 supplier, Tier-1 supplier and OEMs can be improved by simulating the components of the CAN physical layer in the circuit application environment.