本文解釋了評(píng)估控制器局域網(wǎng)（CAN）收發(fā)器的正確系統(tǒng)級(jí)測(cè)試方法。它通過(guò)展示在多節(jié)點(diǎn)can系統(tǒng)中執(zhí)行從一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)如何避免實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，解釋了為什么這種方法更優(yōu)越。閱讀本文后，讀者將對(duì)CAN系統(tǒng)有更好的理解，并將能夠?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(dòng)化、家庭自動(dòng)化和汽車領(lǐng)域，因?yàn)樗臃€(wěn)定，能夠有效處理總線爭(zhēng)用。

　　傳統(tǒng)CAN2.0提供8字節(jié)有效載荷，支持最高2 Mbps的數(shù)據(jù)速率。有時(shí)，2 Mbps的數(shù)據(jù)速率對(duì)于關(guān)鍵通信事件是不夠的，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靈活的數(shù)據(jù)速率

　　傳統(tǒng)CAN和CAN-FD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)）比傳統(tǒng)CAN快5倍（僅數(shù)據(jù)有效載荷為10 Mbps為了兼容性，仲裁比特率仍然被限制為1 Mbps）。CAN-FD中的消息有效載荷大小從傳統(tǒng)的8字節(jié)增加到64字節(jié)。

　　利用CAN-FD，傳感器可以根據(jù)更大或更小的有效載荷來(lái)改變數(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(lái)了許多系統(tǒng)級(jí)操作優(yōu)勢(shì)。

　　CAN通信—基礎(chǔ)知識(shí)

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

　　圖一。單個(gè)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(jiǎn)單了解一下CAN收發(fā)器的物理特性。

　　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，CANH和CANL之間的電壓差決定了發(fā)送和接收信號(hào)的邏輯電平。如果CANH-CANL電壓大于1.5 V，CAN接收器會(huì)將該位識(shí)別為邏輯0。然而，如果CANH-CANL電壓低于200 mV，CAN接收器會(huì)將該位識(shí)別為邏輯1。圖2顯示了CAN收發(fā)器的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。基于CANH和CANL電壓之間的差異，接收器在RXD引腳上回送信號(hào)。

　　圖二。CAN協(xié)議物理層。

　　現(xiàn)在讓我們來(lái)看看CAN數(shù)據(jù)鏈路層，它為該位流的受控傳輸制定了數(shù)據(jù)幀。它還有助于錯(cuò)誤檢測(cè)和總線爭(zhēng)用解決方案。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(gè)節(jié)點(diǎn)以幀起始（SOF）開始數(shù)據(jù)幀，這是第一個(gè)支配位。11位標(biāo)識(shí)符是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的唯一地址。IDE指示幀格式。該位域中的邏輯0表示標(biāo)準(zhǔn)CAN格式，而該位域中的邏輯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(gè)字節(jié)。接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)在總線上發(fā)送主位來(lái)確認(rèn)該數(shù)據(jù)幀。最后，幀尾（EOF）是一個(gè)隱性位，它標(biāo)志著一個(gè)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(shí)，客戶通過(guò)函數(shù)發(fā)生器在CAN收發(fā)器的TXD引腳上發(fā)送位流來(lái)評(píng)估CAN收發(fā)器。雖然這種方法非常適合評(píng)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(shí)，這種方法似乎存在缺陷。因此，新的CAN控制器和收發(fā)器測(cè)試是為您的系統(tǒng)選擇正確的CAN收發(fā)器所必需的。這種方法論背后的原因是什么？

　　仲裁方法

　　這種系統(tǒng)級(jí)測(cè)試方法的主要原因是CAN協(xié)議的仲裁特性。如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)試圖同時(shí)占用總線，則通過(guò)非破壞性的逐位仲裁來(lái)實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)。發(fā)送第一個(gè)標(biāo)識(shí)符位為0（顯性）的節(jié)點(diǎn)，而其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送1（隱性）的節(jié)點(diǎn)，保持對(duì)CAN總線的控制，繼續(xù)完成其消息。圖4顯示了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的仲裁方案?！?/p>

　　圖4。2節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中的CAN仲裁。

　　在該圖中，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2通過(guò)CAN總線相互連接。因此，CANH和CANL信號(hào)是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)共用的。TXD1和RXD1是節(jié)點(diǎn)1的信號(hào)，而TXD2和RXD2是節(jié)點(diǎn)2的信號(hào)。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有一個(gè)支配位，它贏得了仲裁并繼續(xù)發(fā)送完整的消息。該消息由節(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)該消息。

　　每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符ID。因此，這個(gè)11位標(biāo)識(shí)符ID用于仲裁過(guò)程。這些位將由控制器回讀，以確定消息傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)。在CAN-FD中，仲裁比特率可以與數(shù)據(jù)比特率保持相同或不同。在CAN2.0中，仲裁和數(shù)據(jù)比特率相同。

　　在傳統(tǒng)CAN2.0系統(tǒng)中，有時(shí)比特率會(huì)從標(biāo)準(zhǔn)CAN2.0推薦的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，仲裁比特率限于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(shí)符和SOF位，每個(gè)發(fā)送的位都被回讀以實(shí)現(xiàn)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(hào)傳播時(shí)間會(huì)在節(jié)點(diǎn)之間引入相移。CAN用于媒體訪問(wèn)控制的非破壞性仲裁機(jī)制要求任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的相移小于一位時(shí)間的一半。標(biāo)稱比特時(shí)間的下限定義了標(biāo)稱比特率以及總線長(zhǎng)度的上限。因此，RXD的上升時(shí)間和下降時(shí)間、CAN收發(fā)器的環(huán)路延遲以及電纜都會(huì)出現(xiàn)。在更高的比特率下，例如10 Mbps，傳播延遲和上升時(shí)間/下降時(shí)間需要小于50 ns。

　　因此，CAN-FD中的仲裁比特率限制為1 Mbps，允許許多可能節(jié)點(diǎn)的同步有更高的裕量。然而，CAN-FD是一種新技術(shù)，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)的一個(gè)昂貴的附加物，因此客戶繼續(xù)使用標(biāo)準(zhǔn)CAN控制器。在這些系統(tǒng)中，由于關(guān)鍵的傳感器信息和節(jié)點(diǎn)之間可能較短的電纜長(zhǎng)度，CAN節(jié)點(diǎn)需要以更高的比特率（》 2 Mbps）進(jìn)行通信。在這種情況下，收發(fā)器的上升時(shí)間/下降時(shí)間對(duì)稱性和傳播延遲可能會(huì)限制可允許的數(shù)據(jù)通信的上限。

　　CAN收發(fā)器需要進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)測(cè)試

　　讓我們以CAN收發(fā)器為例MAX33012E，在20米長(zhǎng)的電纜上的測(cè)試速度高達(dá)13.3 Mbps。如圖5所示，TXD2位寬為75 ns（對(duì)應(yīng)13.3 Mbps），RXD2位寬為72 ns。當(dāng)控制器以80%的TXD位寬采樣時(shí)，包括RXD上升時(shí)間/下降時(shí)間和環(huán)路延遲在內(nèi)的最小RXD位寬為60 ns。在圖5中，可以看到接收的位寬為72 ns。因此，MAX33012E滿足條件，并且足夠穩(wěn)定，可以在更高的比特率下工作。在這種情況下，CAN控制器不會(huì)檢測(cè)到任何錯(cuò)誤，并繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)通信。

　　圖5。一個(gè)MAX33012E可以傳輸數(shù)據(jù)。

　　圖6顯示了競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的示波器截圖，也是以13.3 Mbps的速率測(cè)試的。該器件的發(fā)送位寬為75 ns（相當(dāng)于13.3 Mbps），接收位寬小于發(fā)送位寬的80%（48 ns）。于是，仲裁階段位傳輸失敗，導(dǎo)致通信出錯(cuò)，最終系統(tǒng)停止工作。

　　圖6。競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的CAN數(shù)據(jù)傳輸。

　　這類數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤只能通過(guò)執(zhí)行完整的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試來(lái)發(fā)現(xiàn)，包括多個(gè)can控制器、CAN收發(fā)器和一條長(zhǎng)電纜。

　　結(jié)論

　　CAN收發(fā)器的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試有助于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中未來(lái)可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。這些問(wèn)題可以通過(guò)評(píng)估帶有can控制器的CAN收發(fā)器和滿足所需時(shí)序和電壓規(guī)格的電纜來(lái)避免。CAN系統(tǒng)的魯棒性是CAN系統(tǒng)中每個(gè)組件的累積性能。僅評(píng)估一個(gè)器件或CAN收發(fā)器并不能準(zhǔn)確衡量系統(tǒng)功能。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)先驗(yàn)證比更換故障系統(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(jí)測(cè)試。

　　審核編輯：黃飛