如何使用正確的示波器簡(jiǎn)化 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

車載網(wǎng)絡(luò) (IVN) 能夠讓微控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元 (ECU) 處理器與傳感器、執(zhí)行器、指示器、顯示器之間實(shí)現(xiàn)相互通信。控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN)總線便是經(jīng)典的 IVN 之一。CAN 問(wèn)世至已有近三十年，并且仍在繼續(xù)發(fā)展。

正如 ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)中描述的那樣，經(jīng)典 CAN 總線的數(shù)據(jù)速率高達(dá) 1 Mbps，并使用單根雙絞線處理中等帶寬需求。CAN 總線像所有有源網(wǎng)絡(luò)一樣將繼續(xù)發(fā)展以滿足行業(yè)需求。例如，CAN 靈活的數(shù)據(jù)速率 (CAN FD) 將數(shù)據(jù)率提高到 5 Mbps。最新的 CAN 標(biāo)準(zhǔn)是超長(zhǎng) CAN (CAN XL)，其運(yùn)行速度可達(dá) 10 Mbps 或更高;且兩者都向后兼容傳統(tǒng) CAN。

CAN 網(wǎng)絡(luò)的物理層 (PHY) 布線由 CAN 節(jié)點(diǎn)之間的雙絞線完成(圖 1)。

圖 1：CAN 網(wǎng)絡(luò)采用端接式雙絞線布線，且節(jié)點(diǎn)采用垂線連接方式。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè) CAN收發(fā)器和一個(gè)具有 CAN 控制器功能的微控制器單元 (MCU)。(圖片來(lái)源：Texas Instruments)

CAN 網(wǎng)絡(luò)的總線布線要求在總線兩端分別端接 120 Ω電阻器，以最大限地度減少反射?？偩€速率取決于 CAN 的具體實(shí)施，并受到網(wǎng)絡(luò)實(shí)際長(zhǎng)度的影響。網(wǎng)絡(luò)越長(zhǎng)，能支持的最大數(shù)據(jù)速率就越低。1 Mbps 的數(shù)據(jù)率適合 40 m 或更短的網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度。

在通信過(guò)程中，使用雙絞線中的兩根線實(shí)現(xiàn)差分，指定為 CANH 和 CANL：要在端接雙絞線的 60 Ω 差分負(fù)載上實(shí)現(xiàn) 1.5 V 差分信號(hào)，需要使用 CAN 收發(fā)器驅(qū)動(dòng)器。信號(hào)電平被稱為顯性電平和隱性電平。顯性電平(“1”)具有大于或等于 0.9 V 的差分電壓。隱性電平(“0”)具有小于 0.5 V 的差分電壓(圖 2)。

圖 2：所示為 CAN 總線 CANH 和 CANL 導(dǎo)線的差分信號(hào)定義。(圖片來(lái)源：Texas Instruments)

總線驅(qū)動(dòng)器能夠自動(dòng)將總線驅(qū)動(dòng)到顯性狀態(tài)，而返回到隱性狀態(tài)則依賴于通過(guò)端接進(jìn)行的電阻放電。它還允許顯性位覆蓋隱性位狀態(tài)。此功能用于確認(rèn)和總線仲裁。

測(cè)試 CAN 總線

可用示波器測(cè)試 CAN 總線的 PHY。確保示波器和相關(guān)探頭的帶寬大約是串行數(shù)據(jù)信號(hào)的時(shí)鐘速率的 5 倍。如果考慮整個(gè)的 CAN 總線數(shù)據(jù)速率范圍，那么 CAN XL 的數(shù)據(jù)字段的最大速率是 20 Mbps。這表明我們應(yīng)該使用一個(gè)帶寬超過(guò) 100 MHz 的示波器。讓我們選用 Teledyne LeCroy 的 HDO4024A 示波器。這是一款帶寬為 200 MHz 的四通道示波器。

連接 CAN 總線

用探頭將示波器與 CAN 總線連接?？梢杂檬静ㄆ鞲綆У膬蓚€(gè) 10:1 高阻抗探頭。這樣，就可以查看差分組件，即 CANL 和 CANH。為了查看差分信號(hào)，使用示波器的差分?jǐn)?shù)學(xué)函數(shù)，用 CANH 減去 CANL(圖 3)。

圖 3：CANH(頂部軌跡)，CANL(中心軌跡)以及 CAN 差分信號(hào)(底部軌跡)。差分信號(hào)是用示波器的差分?jǐn)?shù)學(xué)函數(shù)計(jì)算出來(lái)的。(圖片來(lái)源：Teledyne LeCroy)

一個(gè)更好的方法是使用類似 Teledyne LeCroy ZD200 的差分探頭。ZD200 的帶寬為 200 MHz，差分電壓范圍為 ±20 V，共模電壓范圍為 ±60 V。該探頭有兩個(gè)輸入：非反相 (+) 輸入連接到 CANH，而反相輸入 (-) 則連接到 CANL。因?yàn)槲覀兪褂玫氖遣罘痔筋^，所以只需一個(gè)示波器通道(圖 4)。這表示一個(gè)持續(xù)時(shí)間為 100 ms 的 CAN 信號(hào)，且包含大約 20 條信息。底部是一個(gè)水平擴(kuò)展的縮放軌跡，顯示了較長(zhǎng)時(shí)間采集過(guò)程中的單條信息。

圖 4：所示為一個(gè)持續(xù)時(shí)間為 100 ms 的 CAN 信號(hào)，通過(guò)差分探頭采集了大約 20 條信息。水平擴(kuò)展的縮放軌跡(底部)顯示了較長(zhǎng)時(shí)間采集過(guò)程中的單條信息。(圖片來(lái)源：Art Pini)

差分探頭的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，能夠削弱兩個(gè)輸入端共有的任何噪聲或瞬態(tài)，從而提高測(cè)量信噪比 (SNR)。這在充滿電噪聲的車輛環(huán)境中尤為重要。

CAN 協(xié)議

CAN 總線信息遵守標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，允許網(wǎng)絡(luò)在需要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令尋址(圖 5)。

圖 5：CAN 協(xié)議提供了一個(gè)在總線上傳輸數(shù)據(jù)并驗(yàn)證其是否被接收的架構(gòu)。該協(xié)議還提供錯(cuò)誤檢查。(圖片來(lái)源：Texas Instruments)

在 CAN 總線方面，Teledyne LeCroy 示波器提供了一個(gè)讓人喜歡的、非常有用的選項(xiàng)：CAN 和 CAN FD 觸發(fā)和解碼軟件。HDO4K-CAN BUS TD 示波器軟件適用于傳統(tǒng) CAN 網(wǎng)絡(luò)，而 HDO4k-CAN FD TD 選項(xiàng)適用于 CAN FD 總線。利用這些選項(xiàng)，示波器可在出現(xiàn)特定的 CAN 消息內(nèi)容時(shí)觸發(fā)，包括消息 ID、ID 加數(shù)據(jù)內(nèi)容、遠(yuǎn)程消息、錯(cuò)誤事件或者所有消息。主要功能是對(duì)信息進(jìn)行解碼——就像一臺(tái)協(xié)議分析儀(圖 6)。

圖 6：HDO4K-CAN BUS TD CAN 觸發(fā)和解碼選項(xiàng)會(huì)讀取 CAN 信息，并以不同顏色覆蓋這些信息，以顯示不同的字段及其內(nèi)容。(圖片來(lái)源：Art Pini)

每個(gè)信息字段都通過(guò)覆蓋特定的顏色及文本標(biāo)簽來(lái)識(shí)別。每條信息也被列在位于所顯示波形下方的表格中。點(diǎn)擊表格中的任何條目，相關(guān)的波形便在縮放軌跡中顯示，以便仔細(xì)檢查。

點(diǎn)擊表格的標(biāo)題，用戶可以搜索或篩選該字段內(nèi)符合特定條件的表格條目，并只顯示需要的條目。例如，通過(guò)選擇 ID 字段，只顯示具有特定 ID 或特定 ID 范圍的條目。

通過(guò)選擇符號(hào)查看，示波器將使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù) CAN (DBC) 文件，將十六進(jìn)制字段條目轉(zhuǎn)換成描述每個(gè)字段的純語(yǔ)言文本(圖 7)。

圖 7：符號(hào)解碼將原始十六進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成純文本，以幫助解釋 CAN 信息中包含的數(shù)據(jù)。(圖片來(lái)源：Art Pini)

例如，擴(kuò)展發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的消息內(nèi)容，以顯示數(shù)據(jù)包括了冷卻液溫度、壓力和液位信息。

解碼選項(xiàng)還顯示了填充位的存在。如果位序列包含五個(gè)或更多個(gè)相同狀態(tài)的位，則控制器將會(huì)插入一個(gè)相反狀態(tài)的填充位，以確保信號(hào)中有足夠多的邊沿來(lái)保持同步。這些填充位會(huì)被接收器移除，以確保數(shù)據(jù)內(nèi)容正確無(wú)誤。在前面兩幅圖中，用 SB 標(biāo)簽顯示這些填充位。

結(jié)語(yǔ)

盡管 CAN 總線技術(shù)已經(jīng)很成熟，但仍在不斷發(fā)展和適應(yīng)，以滿足汽車工程師的需求。示波器也是如此。設(shè)計(jì)人員可以使用配有適當(dāng)探頭的示波器和可選的觸發(fā)和解碼軟件，將其作為一種有效的工具來(lái)簡(jiǎn)化 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試和故障查找。

(來(lái)源：作者：Art Pini)