标签: CAN网络总线

如何使用正确的示波器简化 CAN 总线网络测试 车载网络 (IVN) 能够让微控制器和发动机控制单元 (ECU) 处理器与传感器、执行器、指示器、显示器之间实现相互通信。控制器区域网络 (CAN) 总线便是经典的 IVN 之一。CAN 问世至已有近三十年，并且仍在继续发展。 车载网络 (IVN) 能够让 微控制器 和发动机控制单元 (ECU) 处理器与 传感器 、执行器、指示器、显示器之间实现相互通信。控制器区域网络 (CAN)总线便是经典的 IVN 之一。CAN 问世至已有近三十年，并且仍在继续发展。 正如 ISO11898 标准中描述的那样，经典 CAN 总线的数据速率高达 1 Mbps，并使用单根双绞线处理中等带宽需求。CAN 总线像所有有源网络一样将继续发展以满足行业需求。例如，CAN 灵活的数据速率 (CAN FD) 将数据率提高到 5 Mbps。最新的 CAN 标准是超长 CAN (CAN XL)，其运行速度可达 10 Mbps 或更高；且两者都向后兼容传统 CAN。 CAN 网络的物理层 (PHY) 布线由 CAN 节点之间的双绞线完成（图 1）。 图 1：CAN 网络采用端接式双绞线布线，且节点采用垂线连接方式。每个节点都有一个 CAN收发器和一个具有 CAN 控制器功能的微控制器单元 ( MCU )。（图片来源：Texas Instruments） CAN 网络的总线布线要求在总线两端分别端接 120 Ω 电阻 器，以最大限地度减少反射。总线速率取决于 CAN 的具体实施，并受到网络实际长度的影响。网络越长，能支持的最大数据速率就越低。1 Mbps 的数据率适合 40 m 或更短的网络长度。 在通信过程中，使用双绞线中的两根线实现差分，指定为 CANH 和 CANL：要在端接双绞线的 60 Ω 差分负载上实现 1.5 V 差分信号，需要使用 CAN 收发器 驱动器 。信号电平被称为显性电平和隐性电平。显性电平（“1”）具有大于或等于 0.9 V 的差分电压。隐性电平（“0”）具有小于 0.5 V 的差分电压（图 2）。 图 2：所示为 CAN 总线 CANH 和 CANL 导线的差分信号定义。（图片来源：Texas Instruments） 总线驱动器能够自动将总线驱动到显性状态，而返回到隐性状态则依赖于通过端接进行的电阻放电。它还允许显性位覆盖隐性位状态。此功能用于确认和总线仲裁。 测试 CAN 总线 可用 示波器 测试 CAN 总线的 PHY。确保示波器和相关探头的带宽大约是串行数据信号的时钟速率的 5 倍。如果考虑整个的 CAN 总线数据速率范围，那么 CAN XL 的数据字段的最大速率是 20 Mbps。这表明我们应该使用一个带宽超过 100 MHz 的示波器。让我们选用 Teledyne LeCroy 的 HDO4024A 示波器。这是一款带宽为 200 MHz 的四通道示波器。 连接 CAN 总线 用探头将示波器与 CAN 总线连接。可以用示波器附带的两个 10:1 高阻抗探头。这样，就可以查看差分组件，即 CANL 和 CANH。为了查看差分信号，使用示波器的差分数学函数，用 CANH 减去 CANL（图 3）。 图 3：CANH（顶部轨迹），CANL（中心轨迹）以及 CAN 差分信号（底部轨迹）。差分信号是用示波器的差分数学函数计算出来的。（图片来源：Teledyne LeCroy） 一个更好的方法是使用类似 Teledyne LeCroy ZD200 的 差分探头 。ZD200 的带宽为 200 MHz，差分电压范围为 ±20 V，共模电压范围为 ±60 V。该探头有两个输入：非反相 (+) 输入连接到 CANH，而反相输入 (-) 则连接到 CANL。因为我们使用的是差分探头，所以只需一个示波器通道（图 4）。这表示一个持续时间为 100 ms 的 CAN 信号，且包含大约 20 条信息。底部是一个水平扩展的缩放轨迹，显示了较长时间采集过程中的单条信息。 图 4：所示为一个持续时间为 100 ms 的 CAN 信号，通过差分探头采集了大约 20 条信息。水平扩展的缩放轨迹（底部）显示了较长时间采集过程中的单条信息。（图片来源：Art Pini） 差分探头的另一个优点是，能够削弱两个输入端共有的任何噪声或瞬态，从而提高测量信噪比 (SNR)。这在充满电噪声的车辆环境中尤为重要。 CAN 协议 CAN 总线信息遵守标准化协议，允许网络在需要时进行数据和指令寻址（图 5）。 图 5：CAN 协议提供了一个在总线上传输数据并验证其是否被接收的架构。该协议还提供错误检查。（图片来源：Texas Instruments） 在 CAN 总线方面，Teledyne LeCroy 示波器提供了一个让人喜欢的、非常有用的选项：CAN 和 CAN FD 触发和解码软件。HDO4K-CAN BUS TD 示波器软件适用于传统 CAN 网络，而 HDO4k-CAN FD TD 选项适用于 CAN FD 总线。利用这些选项，示波器可在出现特定的 CAN 消息内容时触发，包括消息 ID、ID 加数据内容、远程消息、错误事件或者所有消息。主要功能是对信息进行解码——就像一台协议分析仪（图 6）。 图 6：HDO4K-CAN BUS TD CAN 触发和解码选项会读取 CAN 信息，并以不同颜色覆盖这些信息，以显示不同的字段及其内容。（图片来源：Art Pini） 每个信息字段都通过覆盖特定的颜色及文本 标签 来识别。每条信息也被列在位于所显示波形下方的表格中。点击表格中的任何条目，相关的波形便在缩放轨迹中显示，以便仔细检查。买电子元器件现货上唯样商城 点击表格的标题，用户可以搜索或筛选该字段内符合特定条件的表格条目，并只显示需要的条目。例如，通过选择 ID 字段，只显示具有特定 ID 或特定 ID 范围的条目。 通过选择符号查看，示波器将使用行业标准的数据库 CAN ( DB C) 文件，将十六进制字段条目转换成描述每个字段的纯语言文本（图 7）。 图 7：符号解码将原始十六进制数据转换成纯文本，以帮助解释 CAN 信息中包含的数据。（图片来源：Art Pini） 例如，扩展发动机冷却液的消息内容，以显示数据包括了冷却液温度、压力和液位信息。 解码选项还显示了填充位的存在。如果位序列包含五个或更多个相同状态的位，则控制器将会插入一个相反状态的填充位，以确保信号中有足够多的边沿来保持同步。这些填充位会被接收器移除，以确保数据内容正确无误。在前面两幅图中，用 SB 标签显示这些填充位。 结语 尽管 CAN 总线技术已经很成熟，但仍在不断发展和适应，以满足汽车工程师的需求。示波器也是如此。设计人员可以使用配有适当探头的示波器和可选的触发和解码软件，将其作为一种有效的工具来简化 CAN 总线网络的测试和故障查找。 (来源：作者：Art Pini）