FlexCAN一致性測(cè)試方案

一直關(guān)注我們靈動(dòng)微課堂的朋友們，想必通過(guò)前面的介紹已經(jīng)掌握了 FlexCAN 的基本使用方法，也能夠在自己的方案中運(yùn)用自如了。今天小編想和大家借助 ZLG 的CAN Scope工具了解我們這顆 MCU 的 CAN 的特性，看看在汽車(chē) ECU 應(yīng)用上它是如何保證通訊的魯棒性。

在整車(chē)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試中，各節(jié)點(diǎn)遵循 CAN 一致性測(cè)試是保證總線的穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提， 當(dāng)前CAN一致性測(cè)試已經(jīng)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的必然趨勢(shì)！

據(jù)了解，應(yīng)用到 CAN 的 ECU 在實(shí)際裝車(chē)之前都需要經(jīng)歷一系列的一致性測(cè)試方能保證整車(chē)通訊的穩(wěn)定，每家車(chē)廠除了遵循 ISO 標(biāo)準(zhǔn)，他們也都有自己的規(guī)約和檢測(cè)流程，但測(cè)試項(xiàng)目不外乎都包含在以下表中：

以上測(cè)試項(xiàng)中的被測(cè)內(nèi)容，有些是屬于板級(jí)設(shè)計(jì)階段需要重點(diǎn)關(guān)注的，有些是與 MCU 本身功能和性能密切相關(guān)的，接下來(lái)我們分層剖析。

物理層一致性測(cè)試

該項(xiàng)測(cè)試主要針對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn) ECU 板級(jí)層面的電阻、電容特性，節(jié)點(diǎn)自身差分電阻以及總線終端電阻和CAN 通信物理電平做出充分評(píng)測(cè)，以驗(yàn)證 CAN 節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在電路設(shè)計(jì)、物理電平等方面的性能。

1.1 終端電阻測(cè)試

在高速 CAN 通訊應(yīng)用中，我們時(shí)常會(huì)看到信號(hào)出現(xiàn)反射、過(guò)沖、振鈴等異常的現(xiàn)象，根據(jù)電磁場(chǎng)和微波理論分析，高頻電路中負(fù)載阻抗需與傳輸線纜的特性阻抗一致，否則電信號(hào)在線束終端容易遭遇阻抗突變，發(fā)生反射現(xiàn)象，造成波形震蕩，這將造成信號(hào)串?dāng)_、總線紊亂以及消息丟失等諸多通訊故障。下圖為典型的信號(hào)振鈴波形圖：

所以在差分 CAN 網(wǎng)絡(luò)中，終端匹配電阻是必不可少的器件，它一般安裝在雙絞線纜的 2 端，依照總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而準(zhǔn)確定位，需選擇線束最遠(yuǎn)距離的 2 個(gè)節(jié)點(diǎn)處。

終端電阻的作用：

1．加快放電，使總線快速進(jìn)入隱性狀態(tài)，提高抗干擾能力。

2．消除阻抗不連續(xù)和不匹配，提高信號(hào)質(zhì)量。

終端電阻的存在，一方面能提高總線抗干擾能力，讓高頻低能量的信號(hào)迅速泄放，一方面能確?？偩€快速進(jìn)入隱性狀態(tài)，讓寄生電容的能量更快泄放，另一方面還能提高信號(hào)質(zhì)量，降低了線纜上的反射能量。

終端電阻過(guò)小會(huì)造成信號(hào)幅值偏小，信號(hào)在采樣時(shí)無(wú)法辨別高低電平，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混亂，有時(shí)可以通訊，但極不穩(wěn)定。

終端電阻過(guò)大會(huì)造成信號(hào)幅值偏大，驅(qū)動(dòng)力過(guò)大，信號(hào)出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象，信號(hào)下降沿過(guò)緩，下降沿時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，嚴(yán)重的情況直接導(dǎo)致總線錯(cuò)誤。

一般終端電阻的實(shí)際阻值選擇需要根據(jù)實(shí)測(cè)得到，因?yàn)樗苋魏我桓€纜的特征阻抗（這里包括系統(tǒng)的容抗+感抗）所影響。

有個(gè)粗獷的測(cè)試手法：采用兩根汽車(chē)使用的典型線纜扭制成雙絞線，線纜的一端接方波發(fā)生器，另一端接可調(diào)電阻，并通過(guò)示波器觀察電阻上的波形，調(diào)整電阻阻值的大小，直到電阻上的信號(hào)是一個(gè)良好的無(wú)振鈴的方波，此時(shí)的電阻值可以認(rèn)為與線纜的特征阻抗一致從而得到匹配電阻的阻值數(shù)據(jù)。另外也可以直接找到車(chē)上的通訊線纜用萬(wàn)用表實(shí)測(cè)。終端電阻阻值和功率的選擇在 ISO 11898-2 標(biāo)準(zhǔn)里面也有定義，可以作為首選參考。

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1.2 顯、隱性輸出電壓測(cè)試

CAN 總線設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于 CAN 節(jié)點(diǎn)的輸出電壓有著嚴(yán)格的規(guī)定， 單個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出電壓如果不符合規(guī)范，則在現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)后容易出現(xiàn)信號(hào)電平不可靠的情況，導(dǎo)致錯(cuò)誤幀的出現(xiàn)，各節(jié)點(diǎn)間無(wú)法進(jìn)行通信。

差分電壓值決定了 CAN 的顯、隱性位（顯性電平的差分電平為高，TTL 邏輯電平為低；隱性電平的差分電平為低，TTL 邏輯電平為高），而 CAN_H / CAN_L 電壓情況又由收發(fā)器芯片的質(zhì)量決定。

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目臻e期間 CAN 總線差分電壓為 0v，CAN_H / CAN_L 對(duì)地電壓為 2.5v ，這個(gè)電壓標(biāo)準(zhǔn)也不是絕對(duì)的，但一般 CAN_H高于 2.5v，CAN_L 低于 2.5v，兩者加起來(lái)約為 5v 即算作正常。對(duì)于 CAN 信號(hào)電平有兩套不同標(biāo)準(zhǔn)做了界定， ISO 11898 高速 CAN 標(biāo)準(zhǔn)和 ISO11519-2 低速容錯(cuò) CAN 標(biāo)準(zhǔn)，如下表描述：

需要使用示波器多次測(cè)量 CAN 總線空閑時(shí)期以及通訊時(shí)期的顯性位的 CAN_H 和 CAN_L 電壓值，來(lái)分析電平情況是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)也可檢測(cè)出收發(fā)器芯片是否存在故障，下圖為實(shí)際抓取的測(cè)試圖：

1.3 跳變沿時(shí)間測(cè)試

主要為測(cè)試 ECU 的差分電平在隱性電平到顯性電平、顯性電平到隱性電平變化的時(shí)間，需要在指定的波特率條件下進(jìn)行測(cè)試，接線長(zhǎng)度需小于1米，波特率為 250k 的情況下進(jìn)行通信，且將差分電平的上升、下降時(shí)間的起始點(diǎn)定為電壓值的 20%~80% 的區(qū)間處，即從隱性到顯性狀態(tài)過(guò)渡的上升時(shí)間起始點(diǎn)為差分電壓的 20% 處，終止點(diǎn)為差分電壓的 80% 處；從顯性向隱性狀態(tài)過(guò)渡的下降時(shí)間起始點(diǎn)為差分電壓的 80% 處，終止點(diǎn)為差分電壓的 20% 處。

簡(jiǎn)單測(cè)量時(shí)可以選用示波器直接抓取波形測(cè)試，但一般需要每個(gè)邊沿至少測(cè)量 1000 次，以確定邊緣上升/下降時(shí)間的最小值和最大值，數(shù)據(jù)才更為可靠，這就需要使用專(zhuān)業(yè)的 CAN 測(cè)試儀器了，比如 CAN Scope、PICO Scope 等等。跳變沿的時(shí)間需要遵循 GMW3122 信號(hào)邊沿標(biāo)準(zhǔn)：

MM32F0140 實(shí)測(cè)通信質(zhì)量：

數(shù)據(jù)鏈路層一致性測(cè)試

該項(xiàng)測(cè)試覆蓋的內(nèi)容主要用于保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通訊參數(shù)能夠保持一致性，所組成的網(wǎng)絡(luò)能夠正常有效的工作，除了評(píng)估板級(jí)使用到的元器件參數(shù)，更多的還涉及到 FlexCAN底層驅(qū)動(dòng)庫(kù)的調(diào)試，不同寄存器配置所帶來(lái)的影響是非常直觀的。

2.1 位時(shí)間測(cè)試

汽車(chē) CAN 總線設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于 CAN 節(jié)點(diǎn)的差分信號(hào)位時(shí)間（即波特率）有著嚴(yán)格的規(guī)定，同一總線上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)位時(shí)間必須保持較高的一致性，否則節(jié)點(diǎn)組合到一起后，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤幀的出現(xiàn)，各節(jié)點(diǎn)間無(wú)法進(jìn)行通信。

位時(shí)間偏差主要發(fā)生在如下情況：使用了非整數(shù)值的晶振（比如 11.0592MHZ）、極端溫度導(dǎo)致晶振偏差、CAN 控制器內(nèi)部波特率發(fā)生器偏差。針對(duì)MCU的晶振器件選型包括晶振電路的調(diào)試在我們另外的文檔中進(jìn)行介紹，本次位時(shí)間測(cè)試是在已經(jīng)調(diào)試好晶振電路的電路上進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。

MM32F0140 系列的 FlexCAN控制器將一個(gè)位時(shí)間分為同步段、傳播時(shí)間段、相位段1、相位段2等若干個(gè) Tq 時(shí)間序列，每個(gè)段所占的 Tq 數(shù)可根據(jù)對(duì)應(yīng)寄存器所配置，合理配置位時(shí)序的 Tq 數(shù)極為重要，具體可以參照 UM 手冊(cè)中 23.3.10.4 協(xié)議時(shí)序章節(jié)描述去理解每個(gè)段和 Tq 配置。

官方驅(qū)動(dòng)例程中，選取的系統(tǒng)時(shí)鐘源為 HSI 倍頻到 72M，再經(jīng)過(guò) 2 分頻后得到 CAN 系統(tǒng)時(shí)鐘（CHI） 36M，也就是 FlexCAN通信時(shí)鐘源中的同步時(shí)鐘（MM32F0140 系列只能選擇該時(shí)鐘源，而不能選擇外部晶振作為時(shí)鐘源，即 PE 時(shí)鐘等于 CHI 時(shí)鐘），由于內(nèi)部時(shí)鐘精度要比外部晶振低，所以在測(cè)試位時(shí)間時(shí)需要將 RCC 時(shí)鐘外設(shè)改寫(xiě)配置，選擇 HSE 倍頻到 72M 其它不變。其它按照默認(rèn)配置，得到的波特計(jì)算公式為：

Baud = Fsclock / (CAN_CTRL1.PSEG1+ CAN_CTRL1.PSEG2 + CAN_CTRL1.PROPSEG+ 4)

Fsclock = Fcanclk / (CAN_CTRL1.PRESDIV+1)

Fsclock 為 FlexCAN串行時(shí)鐘頻率， Fcanclk 為 PE 時(shí)鐘頻率，即為 CHI 時(shí)鐘頻率 Fsys

通過(guò)以上公式計(jì)算得出波特率為 500KHz，與實(shí)際程序配置是相符合的。位時(shí)間計(jì)算公式為：

Tcanbit = 1 / Baud

通過(guò)以上公式計(jì)算得出位時(shí)間為 2us，F(xiàn)lexCAN最小時(shí)間單元 Tq 個(gè)數(shù)為 canTiming[0].timeQuanta = 8（即為 canTiming[0] 中的 PROPSEG/PSEG1/PSEG2 之和再加1），Tq 時(shí)長(zhǎng)計(jì)算公式為：

Tq = Tcanbit / Tq num

Tq = (CAN_CTRL1.PRESDIV+1) / Fsys

通過(guò)以上 2 公式都可以計(jì)算得 Tq 時(shí)間為 0.25us。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算后，需要實(shí)際使用示波器抓取一個(gè)位波形來(lái)測(cè)量位時(shí)間寬度，一般需要多次測(cè)量一幀數(shù)據(jù)中的位寬波形直至超過(guò) 100 次，或者截取一串?dāng)?shù)據(jù)幀中偏差最大的那一幀總時(shí)長(zhǎng)再除以位數(shù)即可得出位時(shí)間，再或者就是直接使用 CAN Scope 的位時(shí)間精度功能實(shí)測(cè)，可以得出以下結(jié)果：

官方驅(qū)動(dòng)中的 SJW 默認(rèn)設(shè)置為 1 ，在實(shí)際允許的容忍偏差范圍內(nèi)，可以自行調(diào)整該參數(shù)，一般建議設(shè)置為 2~3 個(gè) Tq 。

2.2 采樣點(diǎn)測(cè)試

除了精準(zhǔn)的波特率，采樣點(diǎn)位置的匹配同樣是要求即為嚴(yán)苛的，在不同的標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)采樣點(diǎn)要求各不相同，而且不同車(chē)廠對(duì)采樣點(diǎn)的設(shè)置、時(shí)鐘源的需求以及每個(gè)段所占的 Tq 數(shù)也都是不盡相同的。下圖展示了 CiA 推薦的數(shù)據(jù)場(chǎng)采樣點(diǎn)位置范圍：

在汽車(chē)工程師協(xié)會(huì) SAE class C 標(biāo)準(zhǔn)中將高速總線波特率定為 125K ~ 1 M 范圍，中、低速總線波特率定為 125K 以下范圍，高速總線推薦使用單次采樣模式，而中低速總線推薦 3 倍采樣模式。

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)采樣點(diǎn)的不一致會(huì)導(dǎo)致同樣的采樣頻率出現(xiàn)采樣錯(cuò)誤，進(jìn)而使整車(chē)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障問(wèn)題，影響整車(chē)環(huán)境穩(wěn)定。

官方例程中默認(rèn)使用的 3 倍采樣，且 CAN Scope 僅支持單次采樣模式，所以需要按照以下方式修改采樣點(diǎn)模式：

更改后，其它按照默認(rèn)配置，則采樣點(diǎn)設(shè)置成了 75% ，采樣點(diǎn)計(jì)算公式如下：

Sample-Point = (1 + (canTiming[0].propSeg + canTiming[0].phaseSeg1)) /(1 + (canTiming[0].propSeg + canTiming[0].phaseSeg1) + (canTiming[0].phaseSeg2))

Sample-Point = (1 + (CAN_CTRL1.PROPSEG + CAN_CTRL1.PSEG1+2)) /

(1 +(CAN_CTRL1.PROPSEG+CAN_CTRL1.PSEG1+2) + (CAN_CTRL1.PSEG2+1))

清楚采樣點(diǎn)計(jì)算公式后，實(shí)際使用 CAN Scope 的采樣點(diǎn)計(jì)算功能測(cè)試真實(shí)采樣點(diǎn)，需要注意，在上位機(jī)設(shè)置中需要將終端電阻選擇為 60Ω ，且在采樣點(diǎn)設(shè)置向?qū)е行枰催x輸入 TQS 并且設(shè)置 ABT TQS 總個(gè)數(shù)（這里與默認(rèn)配置一致，即為 8），實(shí)際測(cè)試得出真實(shí)采樣點(diǎn)精度偏差小于 0.5% ：

由于例程中不能涵蓋所有需要的采樣點(diǎn)，這里推薦使用 ARM 波特率計(jì)算器來(lái)計(jì)算出實(shí)際需要填寫(xiě)的各個(gè)寄存器參數(shù)，按照下圖中的配置可以得出實(shí)測(cè)的采樣點(diǎn)為 83%，落在設(shè)置的要求范圍內(nèi)：

計(jì)算器中的參數(shù)與程序中位時(shí)序配置的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

TSEG1 +1 = phaseSeg1 + propSeg

TSEG2 + 1 = phaseSeg2

系統(tǒng)時(shí)鐘 9M = PE 時(shí)鐘 / preDivider

2.3 其它測(cè)試

報(bào)文 DLC 測(cè)試實(shí)際上可以通過(guò)具有數(shù)據(jù)解析功能的 CAN 工具來(lái)進(jìn)行測(cè)試，主要評(píng)估 ECU 發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文的正確性。關(guān)于負(fù)載監(jiān)測(cè)和壓力測(cè)試，可以評(píng)估 ECU 處理緊急包的能力，理論上 CAN 是可以滿(mǎn)負(fù)載運(yùn)行工作的，這也是 CAN 的優(yōu)勢(shì)所在，但一般情況下會(huì)需要保證運(yùn)行在 30% 以下的負(fù)載率。

審核編輯：湯梓紅