摘要

　　本文介紹了評估“控制器局域網(wǎng)”（CAN）收發(fā)器的正確系統(tǒng)級測試方法,。通過展示在多CAN節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中執(zhí)行不同CAN節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸時如何避免實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸問題，解釋了此種測試方法的優(yōu)越之處,。閱讀本文后,，讀者將對CAN系統(tǒng)有更好的了解，并能夠為特定的多節(jié)點(diǎn)CAN系統(tǒng)選擇合適的CAN收發(fā)器,。

　　引言

　　CAN是一種穩(wěn)健的通信標(biāo)準(zhǔn),，用于支持不同的傳感器、機(jī)器或控制器進(jìn)行相互通信,。相比于一般接口,，CAN接口更穩(wěn)定可靠，能夠有效處理總線爭用,，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化,、家庭自動化和汽車應(yīng)用中。

　　舊版CAN2.0提供8字節(jié)有效載荷,，最多支持2 Mbps的數(shù)據(jù)速率,。有些情況下，2 Mbps的數(shù)據(jù)速率不足以應(yīng)對危急通信事件,，因此CAN.org提出了新的通信協(xié)議CAN-FD,，支持?jǐn)?shù)據(jù)速率高達(dá)10 Mbps的通信。

　　CAN-FD靈活的數(shù)據(jù)速率

　　舊版CAN和CAN-FD之間的主要區(qū)別在于靈活的數(shù)據(jù)速率（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（10 Mbps僅用于數(shù)據(jù)有效載荷；為了兼容,，仲裁位速率仍限制在1 Mbps）快5倍,。CAN-FD中的消息有效載荷大小從舊版CAN的8字節(jié)增加到64字節(jié)。

　　使用CAN-FD時,，傳感器可以改變數(shù)據(jù)速率,，并增加或減少有效載荷。與如今工廠中的舊版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通信包括兩個主要組件：（a）CAN控制器和（b）CAN收發(fā)器,，如圖1所示。

　　圖1.單一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)器則處理物理層。我們來簡要介紹一下CAN收發(fā)器的物理層,。

　　在CAN協(xié)議中,，邏輯0被稱為顯性位，邏輯1被稱為隱性位,。由于CAN是一種差分協(xié)議,，CANH和CANL之間的電壓差決定了發(fā)射和接收信號的邏輯電平。如果CANH-CANL電壓大于1.5 V,，則CAN接收器將該位識別為邏輯0,。而如果CANH-CANL電壓小于200 mV，則CAN接收器將該位識別為邏輯1,。圖2所示為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引腳上回送信號,。

　　圖2.CAN協(xié)議物理層。

　　現(xiàn)在我們來看看CAN數(shù)據(jù)鏈路層,，它制定了數(shù)據(jù)幀以便進(jìn)行比特流的受控傳輸,，而且有助于解決錯誤檢測和總線爭用問題。圖3所示為標(biāo)準(zhǔn)的CAN幀格式,。

　　圖3.CAN協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層,。

　　每個節(jié)點(diǎn)以幀起始符（SOF）開始數(shù)據(jù)幀，SOF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表示幀格式。該位域中的邏輯0表示標(biāo)準(zhǔn)的CAN格式,，而邏輯1表示擴(kuò)展的CAN格式,。r0是一個保留位。DLC字段表示要傳輸?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)送顯性位來確認(rèn)該數(shù)據(jù)幀,。最后,，幀結(jié)束符（EOF）是一個隱性位，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)生成器在CAN收發(fā)器的TXD引腳上發(fā)送比特流，以此來評估CAN收發(fā)器,。盡管這種方法非常適合用于評估單節(jié)點(diǎn)CAN,，但在開發(fā)多節(jié)點(diǎn),、遠(yuǎn)距離CAN系統(tǒng)時似乎存在缺陷,。因此，要為系統(tǒng)選擇合適的CAN收發(fā)器,，必須采用新的CAN控制器和收發(fā)器測試方法,。使用這種方法背后的原因是什么？

　　仲裁方法

　　使用這種系統(tǒng)級測試方法的主要原因是CAN協(xié)議的仲裁特性,。如果兩個節(jié)點(diǎn)試圖同時占用總線,，則使用非破壞性逐位仲裁來進(jìn)行訪問。將第一個標(biāo)識符位作為0（顯性）發(fā)送的節(jié)點(diǎn)將保留對CAN總線的控制,， 并繼續(xù)完成其消息傳送,， 而其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的是1（隱性）。圖4所示為兩個節(jié)點(diǎn)之間的仲裁方案,。

　　圖4.雙節(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)是共用的。TXD1和RXD1是用于節(jié)點(diǎn)1的信號,，而TXD2和RXD2是用于節(jié)點(diǎn)2的信號,。可以看到,，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的前三位是相同的：分別為1,、0、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有一個顯性位,，因此贏得了仲裁并繼續(xù)發(fā)送完整的消息,。此消息由節(jié)點(diǎn)2確認(rèn)。一旦節(jié)點(diǎn)1完成傳輸,，節(jié)點(diǎn)2就開始發(fā)送消息,。節(jié)點(diǎn)1確認(rèn)此消息。

　　每個節(jié)點(diǎn)都有唯一的標(biāo)識符ID。因此,，這個11位的標(biāo)識符ID被用于仲裁過程,。這些比特將由控制器讀回，以識別消息傳輸?shù)膬?yōu)先級,。在CAN-FD中,，仲裁位速率可以與數(shù)據(jù)位速率相同或不同。在CAN2.0中,，仲裁位速率和數(shù)據(jù)位速率相同,。

　　在舊版CAN2.0系統(tǒng)中，有時位速率會較標(biāo)準(zhǔn)CAN2.0推薦的1 Mbps有所增加,，以加快數(shù)據(jù)傳輸,。在CAN-FD系統(tǒng)中，仲裁位速率被限制為1 Mbps的數(shù)據(jù)速率,，而數(shù)據(jù)位速率可高達(dá)10 Mbps,。在包括11位標(biāo)識符和SOF位的仲裁階段，每個傳輸?shù)奈欢急蛔x回以進(jìn)行同步,。

　　CAN節(jié)點(diǎn)在CAN總線邊緣上同步,，但總線上的信號傳輸時間會在節(jié)點(diǎn)之間引入相位差。CAN的非破壞性仲裁機(jī)制要求任意兩個節(jié)點(diǎn)之間的相位差小于半個比特時間,。該標(biāo)準(zhǔn)比特時間的下限定義了標(biāo)稱位速率以及總線長度的上限,。因此，RXD的上升時間和下降時間,、CAN收發(fā)器的環(huán)路延遲以及電纜都需要考慮在內(nèi),。在更高的位速率下（例如10 Mbps），傳輸延遲和上升時間/下降時間需要小于50 ns,。

　　因此,，CAN-FD中的仲裁位速率被限制為1 Mbps，允許更高的余量用于同步多個可能的節(jié)點(diǎn),。然而,，CAN-FD是一個新協(xié)議，尚未應(yīng)用于所有CAN系統(tǒng),。在某些情況下,，CAN-FD控制器不可用或者被認(rèn)為是代價高昂的附加組件，因此客戶繼續(xù)使用標(biāo)準(zhǔn)CAN控制器,。在這些系統(tǒng)中,，由于涉及關(guān)鍵傳感器信息且節(jié)點(diǎn)之間的線纜長度可能更短，CAN節(jié)點(diǎn)需要以更高的位速率（>2 Mbps）進(jìn)行通信,。在這種情況下,，收發(fā)器的上升時間/下降時間對稱性和傳輸延遲可能會對允許的數(shù)據(jù)通信上限造成限制。

　　CAN收發(fā)器需要系統(tǒng)級測試

　　以CAN收發(fā)器MAX33012E為例，該收發(fā)器已經(jīng)過20米線纜測試,，速率最高可達(dá)13.3 Mbps,。可以看到,，在圖5中,，TXD2位寬為75 ns（對應(yīng)于13.3 Mbps），RXD2位寬為72 ns,。當(dāng)控制器以80%的TXD位寬進(jìn)行采樣時,，包括所需RXD的上升時間/下降時間和環(huán)路延遲在內(nèi)的最小RXD位寬為60 ns。在圖5中,，可以看到接收到的位寬為72 ns,。因此，MAX33012E滿足條件,，并且足夠穩(wěn)健，能夠在更高的位速率下工作,。在這種情況下,，CAN控制器不會檢測到任何錯誤，并且會繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)通信,。

　　圖5.MAX33012E CAN數(shù)據(jù)傳輸,。

　　圖6所示為同樣在13.3 Mbps速度下進(jìn)行測試的競品的范圍。對于該部分,，傳輸位寬為75 ns（對應(yīng)于13.3 Mbps）,，并且接收位寬小于傳輸位寬（48 ns）的80%。因此,，仲裁階段位傳輸失敗,，導(dǎo)致通信錯誤，最終系統(tǒng)停止工作,。

　　圖6.競品的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)器和一根長線纜,。

　　結(jié)論

　　對CAN收發(fā)器進(jìn)行系統(tǒng)級測試有助于揭示系統(tǒng)中未來可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸問題?？墒褂脻M足所需時序和電壓規(guī)格的CAN控制器和線纜來評估CAN收發(fā)器,，從而避免這些問題。CAN系統(tǒng)的穩(wěn)健性取決于CAN系統(tǒng)中每個組件性能的累積結(jié)果,。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)行預(yù)先驗證比等到發(fā)生故障后才更換系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)高效。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,。

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