CAN收發(fā)器的正確系統(tǒng)級測試方法

　　作者：Madhura Tapse

? ? ? ?本文介紹評估控制器局域網(wǎng)（CAN）收發(fā)器的正確系統(tǒng)級測試方法。它通過展示在多CAN節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中從一個CAN節(jié)點(diǎn)到另一個CAN節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時如何避免實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸問題，解釋了為什么這種方法更優(yōu)越。閱讀本文后，讀者將對CAN系統(tǒng)有更好的了解，并能夠?yàn)樘囟ǖ亩喙?jié)點(diǎn)CAN系統(tǒng)選擇正確的CAN收發(fā)器。

　　CAN是一種強(qiáng)大的通信標(biāo)準(zhǔn)，用于允許不同的傳感器、機(jī)器或控制器相互通信。CAN接口廣泛用于工業(yè)自動化、家庭自動化和汽車，因?yàn)樗鼜?qiáng)大，可以有效地處理總線爭用。

　　傳統(tǒng) CAN2.0 提供 8 字節(jié)有效負(fù)載，支持高達(dá) 2 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。有時，2 Mbps的數(shù)據(jù)速率不足以滿足關(guān)鍵通信事件，因此 CAN.org 提出了一種新的通信協(xié)議CAN-FD，允許高達(dá)10 Mbps的高數(shù)據(jù)速率通信。

　　CAN-FD 靈活數(shù)據(jù)速率

　　傳統(tǒng)CAN和CAN-FD之間的主要區(qū)別在于靈活數(shù)據(jù)（FD）。在CAN-FD中，數(shù)據(jù)速率（即每秒傳輸?shù)奈粩?shù)）比經(jīng)典CAN快5×（僅數(shù)據(jù)有效載荷為10 Mbps;為了兼容性，仲裁比特率仍限制為1 Mbps）。CAN-FD 中的消息有效負(fù)載大小從 64 字節(jié)的傳統(tǒng) CAN 大小增加到 8 字節(jié)。

　　使用CAN-FD，傳感器可以改變具有更大或更小有效載荷的數(shù)據(jù)速率。與現(xiàn)代工廠中的傳統(tǒng)CAN相比，更快的數(shù)據(jù)速度和更大的有效載荷容量帶來了許多系統(tǒng)級操作優(yōu)勢。

　　CAN通信—基礎(chǔ)知識

　　CAN通信由兩個主要組件組成：（a）CAN控制器和（b）CAN收發(fā)器，如圖1所示。

　　圖 1。單個CAN節(jié)點(diǎn)。

　　CAN控制器處理CAN通信的數(shù)據(jù)鏈路層，而CAN收發(fā)器處理物理層。稍后讓我們簡要介紹一下CAN收發(fā)器物理。

　　在CAN協(xié)議中，邏輯0稱為顯性位，邏輯1稱為隱性位。由于CAN是一種差分協(xié)議，因此CANH和CANL之間的電壓差決定了發(fā)送和接收信號的邏輯電平。如果CANH-CANL電壓大于1.5 V，CAN接收器將該位識別為邏輯0。然而，如果CANH-CANL電壓小于200 mV，CAN接收器將該位識別為邏輯1。圖2顯示了CAN收發(fā)器TXD引腳上數(shù)字邏輯1和邏輯0位的連續(xù)傳輸，以及CANH和CANL引腳上的等效CAN總線電平。根據(jù)CANH和CANL電壓之間的差異，接收器在RXD引腳上環(huán)回信號。

　　圖 2.CAN協(xié)議物理層。

　　現(xiàn)在讓我們看一下CAN數(shù)據(jù)鏈路層，它為該比特流的受控傳輸制定了數(shù)據(jù)幀。它還有助于錯誤檢測和總線爭用解決。圖3顯示了標(biāo)準(zhǔn)CAN幀格式。

　　圖 3。CAN協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層。

　　每個節(jié)點(diǎn)都以幀開始 （SOF） 開始數(shù)據(jù)幀，這是第一個顯性位。11 位標(biāo)識符是每個節(jié)點(diǎn)的唯一地址。IDE 指示幀格式。此位字段中的邏輯 0 表示標(biāo)準(zhǔn) CAN 格式，而此位字段中的邏輯 1 表示擴(kuò)展 CAN 格式。r0 是保留位。DLC 字段指示要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn) CAN2.0 幀中，最多可以傳輸 8 個字節(jié)。接收節(jié)點(diǎn)通過在總線上發(fā)送主位來確認(rèn)該數(shù)據(jù)幀。最后，幀結(jié)束（EOF）是一個隱性位，它標(biāo)志著一個數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。

　　大多數(shù)情況下，在選擇CAN收發(fā)器時，客戶通過函數(shù)發(fā)生器在CAN收發(fā)器的TXD引腳上發(fā)送位流來評估CAN收發(fā)器。雖然這種方法非常適合評估單節(jié)點(diǎn)CAN，但在開發(fā)多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)間距CAN系統(tǒng)時似乎存在缺陷。因此，新的CAN控制器和收發(fā)器測試對于為您的系統(tǒng)選擇合適的CAN收發(fā)器是必要的。這種方法背后的原因是什么？

　　仲裁方法

　　這種系統(tǒng)級測試方法的主要原因是CAN協(xié)議的仲裁功能。如果兩個節(jié)點(diǎn)嘗試同時占用總線，則通過非破壞性的逐位仲裁實(shí)現(xiàn)訪問。將第一個標(biāo)識符位作為零（主導(dǎo)）發(fā)送的節(jié)點(diǎn)，而其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個標(biāo)識符位（隱性），保留對CAN總線的控制，CAN總線繼續(xù)完成其消息。圖 4 顯示了兩個節(jié)點(diǎn)之間的仲裁方案。

　　圖 4。2節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中的CAN仲裁。

　　在此圖中，節(jié)點(diǎn) 1 和節(jié)點(diǎn) 2 通過 CAN 總線相互連接。因此，CANH和CANL信號對于兩個節(jié)點(diǎn)都是通用的。TXD1 和 RXD1 是節(jié)點(diǎn) 1 的信號，而 TXD2 和 RXD2 是節(jié)點(diǎn) 2 的信號。如您所見，節(jié)點(diǎn) 1 和節(jié)點(diǎn) 2 的前三位是相同的：分別為 1、0 和 1。節(jié)點(diǎn) 2 的第四位是 1，而節(jié)點(diǎn) 1 是 0。由于節(jié)點(diǎn) 1 具有主導(dǎo)位，因此它將贏得仲裁并繼續(xù)發(fā)送完整的消息。消息由節(jié)點(diǎn) 2 確認(rèn)。節(jié)點(diǎn) 1 完成傳輸后，節(jié)點(diǎn) 2 開始發(fā)送消息。節(jié)點(diǎn) 1 確認(rèn)此消息。

　　每個節(jié)點(diǎn)都有一個唯一的標(biāo)識符 ID。因此，此 11 位標(biāo)識符 ID 用于仲裁過程。這些位將由控制器讀回，以識別消息傳輸?shù)膬?yōu)先級。在CAN-FD中，仲裁比特率可以保持與數(shù)據(jù)比特率相同或不同。在CAN2.0中，仲裁和數(shù)據(jù)比特率是相同的。

　　在傳統(tǒng)的CAN2.0系統(tǒng)中，有時比特率會從標(biāo)準(zhǔn)的CAN2.0建議的1 Mbps提高，以實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸。在CAN-FD系統(tǒng)中，仲裁比特率限制為1 Mbps數(shù)據(jù)速率，數(shù)據(jù)比特率最高可達(dá)10 Mbps。在仲裁階段（包括 11 位標(biāo)識符和 SOF 位），每個傳輸?shù)奈欢紩蛔x回以進(jìn)行同步。

　　CAN節(jié)點(diǎn)在CAN總線上觀察到的邊沿上同步，但總線上的信號傳播時間會在節(jié)點(diǎn)之間引入相移。CAN的介質(zhì)訪問控制無損仲裁機(jī)制要求任意兩個節(jié)點(diǎn)之間的相移小于一位時間的一半。標(biāo)稱位時間的下限定義了標(biāo)稱比特率和總線長度的上限。因此，RXD的上升時間和下降時間，CAN收發(fā)器的環(huán)路延遲以及電纜都進(jìn)入了畫面。在較高的比特率（例如 10 Mbps）下，傳播延遲和上升時間/下降時間需要小于 50 ns。

　　因此，CAN-FD中的仲裁比特率限制為1 Mbps，從而允許為許多可能的節(jié)點(diǎn)的同步提供更高的裕量。然而，CAN-FD是新的，尚未在所有CAN系統(tǒng)中實(shí)施。在某些情況下，CAN-FD控制器不可用，或者被認(rèn)為是系統(tǒng)中昂貴的附加功能，因此客戶繼續(xù)使用標(biāo)準(zhǔn)CAN控制器。在這些系統(tǒng)中，CAN節(jié)點(diǎn)需要以更高的比特率（》2 Mbps）進(jìn)行通信，因?yàn)殛P(guān)鍵的傳感器信息以及節(jié)點(diǎn)之間的電纜長度可能更短。在這種情況下，上升時間/下降時間對稱性和收發(fā)器的傳播延遲可能會限制允許的數(shù)據(jù)通信的上限。

　　CAN收發(fā)器需要進(jìn)行系統(tǒng)級測試

　　讓我們以CAN收發(fā)器MAX33012E為例，該收發(fā)器已通過13米電纜測試，速度高達(dá)3.20 Mbps。如您所見，在圖 5 中，TXD2 位寬為 75 ns（對應(yīng)于 13.3 Mbps），RXD2 位寬為 72 ns。由于控制器以TXD位寬的80%采樣，因此所需的最小RXD位寬（包括上升時間/下降時間和RXD的環(huán)路延遲）為60 ns。在圖5中，您可以看到接收的位寬為72 ns。因此，MAX33012E滿足條件，并且足夠魯棒，可以在更高的比特率下工作。在這種情況下，CAN控制器不會檢測到任何錯誤，并繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)通信。

　　圖 5。MAX33012E CAN數(shù)據(jù)傳輸。

　　圖6顯示了競爭器件的示波器照片，該器件也以13.3 Mbps的速度進(jìn)行了測試。對于該器件，傳輸?shù)奈粚挒?5 ns（對應(yīng)于13.3 Mbps），接收的位寬小于傳輸位寬（80 ns）的48%。因此，仲裁階段的位傳輸失敗，導(dǎo)致通信錯誤，最后系統(tǒng)停止工作。

　　圖 6。競爭對手的CAN數(shù)據(jù)傳輸。

　　這些類型的數(shù)據(jù)傳輸錯誤只能通過執(zhí)行完整的系統(tǒng)級測試來發(fā)現(xiàn)，其中包括多個CAN控制器，CAN收發(fā)器和一根長電纜。

　　結(jié)論

　　CAN收發(fā)器的系統(tǒng)級測試有助于揭示系統(tǒng)中未來可能存在的數(shù)據(jù)傳輸問題。通過評估具有CAN控制器和電纜的CAN收發(fā)器，可以避免這些問題，以滿足所需的時序和電壓規(guī)格。CAN系統(tǒng)的魯棒性是CAN系統(tǒng)中每個組件的累積性能。僅評估一個組件或CAN收發(fā)器并不能準(zhǔn)確測量系統(tǒng)功能。對系統(tǒng)進(jìn)行事先驗(yàn)證比更換有故障的系統(tǒng)更具成本效益。因此，我們強(qiáng)烈建議在選擇CAN控制器之前進(jìn)行系統(tǒng)級測試。

編輯：黃飛