用Warwick Control故障管理工具X-Analyser 3監(jiān)測CAN

對航海電子設備聯(lián)接來說，NMEA2000串行網(wǎng)絡是標準通訊工具。今天的大多數(shù)航海電子設備都支持NMEA2000，因其能方便地連接海上船舶的電子設備元件。NMEA2000協(xié)議使用CAN(控制器局域網(wǎng))在設備之間傳輸數(shù)字信息。很多NMEA2000安裝和故障管理工具都和物理布線有關（長度，分線頭，接頭，電源要求等）。本文詳述NMEA2000安裝中CAN部分的分析和故障管理工具。

CAN最初是由博世在80年代中期為汽車工業(yè)開發(fā)出來的，之后被發(fā)展應用到很多其他工業(yè)領域，包括航海（NMEA2000）…CAN協(xié)議可被劃分為三個層次：1.應用層 2.數(shù)據(jù)鏈路層 3.物理層

簡單地說，應用層（有時被稱為高層協(xié)議）是裝在電控單元ECU微控器里的軟件，它能處理感應器輸入的信息，進行計算，將結(jié)果發(fā)給傳動裝置。在本文中，應用層是為NMEA2000設定的。有時，輸入/輸出信息需要在設備，感應器和傳動裝置之間直接傳達，如羅盤，深度儀，速度儀等。此類信息傳輸可以有效地通過CAN總線完成。當一個控制器要發(fā)信息給另一個控制器（或感應器/傳動設備），它可以將信息通過CAN控制器和收發(fā)器（數(shù)據(jù)鏈路層和物理層）發(fā)送到主干線上。CAN控制器收集這些數(shù)據(jù)，由應用層限定的一個標準格式給它們附上功能地址。CAN收發(fā)器將電子信號格式化，并將數(shù)據(jù)傳遍主干線上的雙絞線CAN總線。物理信號的設計考慮到使通訊傳輸在嘈雜的電子設施環(huán)境里也可以進行。

圖1：NMEA2000網(wǎng)絡實例

本文介紹的工具是針對CAN和NMEA2000的這些特別部分。我們講解如何用Warwick的X-Analyser 3分析和數(shù)據(jù)記錄器工具與NMEA2000連接，來解決NMEA2000和CAN的問題。同時，我們介紹PicoScope計算機示波圖分析，分析在NMEA2000主干線上的CAN物理信號的完整性。

這里介紹的軟件工具（X-Analyser 3 Professional and PicoScope 6）是受下列硬件支持：

Kvaser LEAF LIGHT CAN INTERFACE –作數(shù)據(jù)記錄和分析

PicoScope 2206B 雙頻道適配器，頻寬50 MHz

下面本文講解用工具觀測CAN數(shù)據(jù)，并幫助分析所有必要的維護和故障排除。

維護和故障排除工具

要觀測CAN信息物理信號的完整性，比較經(jīng)濟的方式是用PicoScope。如果用筆記本電腦，你能以低成本觀測清楚的示波圖。因為CAN是比較低頻的通訊協(xié)議，一個較低規(guī)格的PicoScope型號就可以看CAN信息。當然，看高位數(shù)據(jù)線CAN_H和低位數(shù)據(jù)線CAN_L需要雙頻Scope。

圖2顯示了CAN信息的一個示波圖例子。你在這里可以看到2種電子軌跡–高位信號線CAN_H和低位信號線CAN_L。高位信號線CAN_H為藍色，低位信號線CAN_L為紅色。注意當CAN_H和CAN_L都在2.5伏時，電壓呈隱性（邏輯1），總線閑置；當CAN_H和CAN_L分別過渡到3.5伏和1.5伏時，電壓呈顯性（邏輯0）。

圖2. CAN信息的示波圖

這個差分電壓信號使通訊能在嘈雜環(huán)境里得以進行。注意某些噪音參雜在信號中。因為信號間的明顯區(qū)別，噪音就被排除忽略了。一個比特的長度，你會看到它是4微秒，也就是250Kbps。

PicoScope在這里起了關鍵作用，它可以通過觀察CAN信息的物理信號水平，來診查線纜問題。例如在圖1中，在主干線的每端都有一個干線終端電阻。它們只是兩個接在CAN_H和CAN_L之間的120?電阻。在數(shù)字通信時，它們能避免RF訊號從終端反射回來，引起干擾。如果一個終端電阻缺失，這造成的結(jié)果顯示為圖3中的波型。注意過渡中跳得過高的波線。這能引起CAN信息出錯，干擾正常通信。

圖3.因缺少終端電阻造成的CAN幀紊亂。

當有過多的終端電阻接到主干線上時，會出現(xiàn)另一個問題。這將降低總線的總體終端電阻，從而引起CAN總線功能降低。這種狀況顯示在示波圖為CAN_H和CAN_L之間的電壓差變小。

圖4.顯示如果CAN_H和CAN_L接近時會怎么樣。你能看到顯示器有波線，但沒有通訊傳輸。

圖4.CAN_H被降低而靠近CAN_L.

為在數(shù)據(jù)鏈路層上觀測CAN信息，我們用X-Analyser來分析和測試CAN/J1939/NMEA2000。圖5是在主顯示上的原始CAN幀觀測。這里可以看到CAN幀的16進制ID，及有時間標識的CAN原始數(shù)據(jù)。注意總線統(tǒng)計數(shù)據(jù)區(qū)顯示總線負載，幀數(shù)量和錯誤幀（如果有任何錯誤幀）。此顯示屏靜態(tài)更新每個幀ID，同時有一個按時間順序的顯示選項，用來觀察每個報文到達CAN總線時的狀況。

圖5. 用X-Analyser觀測CAN信息

對應用層，X-Analyser 3 Professional能加載一個NMEA2000 CAN數(shù)據(jù)庫，來顯示NMEA2000 參數(shù)群指數(shù)（PGN）和它們相對的現(xiàn)場Field。此PGN說明一個報文的內(nèi)容和目的，如速度（PGN 1F503），液位（PGN 1F211）。在圖5中，顯示屏展示了與PGN有關的報文名稱，在信號區(qū)Signal area，有為此觀測選定的一組現(xiàn)場Field（信號Signals）。這些是由X-Analyser 提供的NMEA2000標準CAN數(shù)據(jù)庫。

X-Analyser 3還有一個內(nèi)置SAEJ1939數(shù)據(jù)庫。這很實用，因為很多許多船只都具備這兩種協(xié)議，而且用一個雙頻CAN Kvaser適配器，就可以同時觀測這兩個總線。說明它實用的一個典型例子是，當船上有一個NMEA2000到J1939的接口。有幾個公司提供這類連接用J1939協(xié)議引擎控制器的接口，當我們需要將信息傳輸?shù)絅MEA2000上。下面是解釋怎樣用X-Analyser 3來同時觀測J1939和NMEA2000 的CAN數(shù)據(jù)。

NMEA2000 CAN 標識符的結(jié)構(gòu)和SAEJ1939相似，請見圖6. 你能看到29幀CAN標識符以節(jié)點編號一個8位元組被分成幾部分（從右到左）。下面兩個8位元組構(gòu)成了PGN.

圖6. NMEA2000 CAN 標識符現(xiàn)場

另一個X-Analyser的顯示選項是觀測CAN標識符被分為PGN，源地址，數(shù)據(jù)頁，優(yōu)先項幾部分，如圖6. 圖7是此顯示的一個例子。

圖7. X-Analyser對NMEA2000應用層的觀測

被選擇的信號（現(xiàn)場Fields）可以在這個顯示框里看到。這些信號是從X-Analyser內(nèi)裝的NMEA2000 CAN數(shù)據(jù)庫選出來的。這個數(shù)據(jù)庫包括所有標準NMEA2000報文（PGNs），它們都攜帶依據(jù)NMEA2000具體要求被分派的數(shù)據(jù)。

X-Analyser還有一個選項是，當X-Analyser的PicoScope選項是所有三個層時，它有合3為1功能。這是一個未來版的X-Analyser。如圖8，我們能看到數(shù)據(jù)鏈路顯示和物理層顯示都在屏幕下方。液位信息PGN F211（前面的1是指DP1）有突出顯示，源地址是70。CAN_H以藍色顯示，CAN_L為紅色。綠色波線顯示CAN_H和CAN_L之間的電壓差分。注意CAN幀的每個場都被顯著標出。

圖8. 3合1 Analyser概念

這種顯示對觀測CAN信息的物理完整性很實用。它使我們能容易地選擇一個NMEA2000報文，然后觀測它的各層（應用，數(shù)據(jù)鏈路，物理層）。在故障分析中，它有助觀測線纜上是否有太多噪音干擾。同時，數(shù)據(jù)傳輸中的‘嘈雜’也意味著終端問題。這個工具還可以附加另一個顯示方法：信號Signal（現(xiàn)場Field）模式，它能有選擇地顯示CAN數(shù)據(jù)庫的信號，觀測CAN/ NMEA2000的應用層。

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