【導讀】本文介紹了評估"控制器局域網(wǎng)"(CAN)收發(fā)器的正確系統級測試方法。通過(guò)展示在多CAN節點(diǎn)系統中執行不同CAN節點(diǎn)之間的數據傳輸時(shí)如何避免實(shí)際數據傳輸問(wèn)題，解釋了此種測試方法的優(yōu)越之處。
CAN是一種穩健的通信標準，用于支持不同的傳感器、機器或控制器進(jìn)行相互通信。相比于一般接口，CAN接口更穩定可靠，能夠有效處理總線(xiàn)爭用，因此被廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化和汽車(chē)應用中。
舊版CAN2.0提供8字節有效載荷，最多支持2 Mbps的數據速率。有些情況下，2 Mbps的數據速率不足以應對危急通信事件，因此CAN.org提出了新的通信協(xié)議CAN-FD，支持數據速率高達10 Mbps的通信。
CAN-FD靈活的數據速率
舊版CAN和CAN-FD之間的主要區別在于靈活的數據速率(FD)。在CAN-FD中，數據速率（即每秒傳輸的位數）比經(jīng)典CAN（10 Mbps僅用于數據有效載荷；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字節增加到64字節。
使用CAN-FD時(shí)，傳感器可以改變數據速率，并增加或減少有效載荷。與如今工廠(chǎng)中的舊版CAN相比，更快的數據速度和更大的有效載荷容量帶來(lái)了許多系統級操作優(yōu)勢。
CAN通信—基礎知識
CAN通信包括兩個(gè)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節點(diǎn)。
CAN控制器處理CAN通信的數據鏈路層，而CAN收發(fā)器則處理物理層。我們來(lái)簡(jiǎn)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(chēng)為顯性位，邏輯1被稱(chēng)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引腳上數字邏輯1和邏輯0位的連續傳輸，以及CANH和CANL引腳上的等效CAN總線(xiàn)電平。根據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。
現在我們來(lái)看看CAN數據鏈路層，它制定了數據幀以便進(jìn)行比特流的受控傳輸，而且有助于解決錯誤檢測和總線(xiàn)爭用問(wèn)題。圖3所示為標準的CAN幀格式。
圖3. CAN協(xié)議數據鏈路層。
每個(gè)節點(diǎn)以幀起始符(SOF)開(kāi)始數據幀，SOF是第一個(gè)顯性位。11位標識符是每個(gè)節點(diǎn)的唯一地址。IDE表示幀格式。該位域中的邏輯0表示標準的CAN格式，而邏輯1表示擴展的CAN格式。r0是一個(gè)保留位。DLC字段表示要傳輸的數據字節數。在標準CAN2.0幀中，最多可以傳輸8個(gè)字節。接收節點(diǎn)通過(guò)在總線(xiàn)上發(fā)送顯性位來(lái)確認該數據幀。最后，幀結束符(EOF)是一個(gè)隱性位，標志著(zhù)一個(gè)數據幀的結束。
大多數情況下，在選擇CAN收發(fā)器時(shí)，客戶(hù)通過(guò)函數生成器在CAN收發(fā)器的TXD引腳上發(fā)送比特流，以此來(lái)評估CAN收發(fā)器。盡管這種方法非常適合用于評估單節點(diǎn)CAN，但在開(kāi)發(fā)多節點(diǎn)、遠距離CAN系統時(shí)似乎存在缺陷。因此，要為系統選擇合適的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
使用這種系統級測試方法的主要原因是CAN協(xié)議的仲裁特性。如果兩個(gè)節點(diǎn)試圖同時(shí)占用總線(xiàn)，則使用非破壞性逐位仲裁來(lái)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。將第一個(gè)標識符位作為0（顯性）發(fā)送的節點(diǎn)將保留對CAN總線(xiàn)的控制, 并繼續完成其消息傳送, 而其他節點(diǎn)發(fā)送的是1(隱性)。圖4所示為兩個(gè)節點(diǎn)之間的仲裁方案。
圖4. 雙節點(diǎn)系統中的CAN仲裁。
在此圖中，節點(diǎn)1和節點(diǎn)2通過(guò)CAN總線(xiàn)相互連接。因此，CANH和CANL信號對于兩個(gè)節點(diǎn)是共用的。TXD1和RXD1是用于節點(diǎn)1的信號，而TXD2和RXD2是用于節點(diǎn)2的信號?？梢钥吹?，節點(diǎn)1和節點(diǎn)2的前三位是相同的：分別為1、0、1。節點(diǎn)2的第四位是1，而節點(diǎn)1是0。由于節點(diǎn)1有一個(gè)顯性位，因此贏(yíng)得了仲裁并繼續發(fā)送完整的消息。此消息由節點(diǎn)2確認。一旦節點(diǎn)1完成傳輸，節點(diǎn)2就開(kāi)始發(fā)送消息。節點(diǎn)1確認此消息。
每個(gè)節點(diǎn)都有唯一的標識符ID。因此，這個(gè)11位的標識符ID被用于仲裁過(guò)程。這些比特將由控制器讀回，以識別消息傳輸的優(yōu)先級。在CAN-FD中，仲裁位速率可以與數據位速率相同或不同。在CAN2.0中，仲裁位速率和數據位速率相同。
在舊版CAN2.0系統中，有時(shí)位速率會(huì )較標準CAN2.0推薦的1 Mbps有所增加，以加快數據傳輸。在CAN-FD系統中，仲裁位速率被限制為1 Mbps的數據速率，而數據位速率可高達10 Mbps。在包括11位標識符和SOF位的仲裁階段，每個(gè)傳輸的位都被讀回以進(jìn)行同步。
CAN節點(diǎn)在CAN總線(xiàn)邊緣上同步，但總線(xiàn)上的信號傳輸時(shí)間會(huì )在節點(diǎn)之間引入相位差。CAN的非破壞性仲裁機制要求任意兩個(gè)節點(diǎn)之間的相位差小于半個(gè)比特時(shí)間。該標準比特時(shí)間的下限定義了標稱(chēng)位速率以及總線(xiàn)長(cháng)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)路延遲以及電纜都需要考慮在內。在更高的位速率下（例如10 Mbps），傳輸延遲和上升時(shí)間/下降時(shí)間需要小于50 ns。
因此，CAN-FD中的仲裁位速率被限制為1 Mbps，允許更高的余量用于同步多個(gè)可能的節點(diǎn)。然而，CAN-FD是一個(gè)新協(xié)議，尚未應用于所有CAN系統。在某些情況下，CAN-FD控制器不可用或者被認為是代價(jià)高昂的附加組件，因此客戶(hù)繼續使用標準CAN控制器。在這些系統中，由于涉及關(guān)鍵傳感器信息且節點(diǎn)之間的線(xiàn)纜長(cháng)度可能更短，CAN節點(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(shí)間/下降時(shí)間對稱(chēng)性和傳輸延遲可能會(huì )對允許的數據通信上限造成限制。
CAN收發(fā)器需要系統級測試
以CAN收發(fā)器MAX33012E為例，該收發(fā)器已經(jīng)過(guò)20米線(xiàn)纜測試，速率最高可達13.3 Mbps?？梢钥吹?，在圖5中，TXD2位寬為75 ns（對應于13.3 Mbps），RXD2位寬為72 ns。當控制器以80%的TXD位寬進(jìn)行采樣時(shí)，包括所需RXD的上升時(shí)間/下降時(shí)間和環(huán)路延遲在內的最小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(mǎn)足條件，并且足夠穩健，能夠在更高的位速率下工作。在這種情況下，CAN控制器不會(huì )檢測到任何錯誤，并且會(huì )繼續執行數據通信。
圖5. MAX33012E CAN數據傳輸。
圖6. 競品的CAN數據傳輸。
這些類(lèi)型的數據傳輸錯誤只能通過(guò)執行完整的系統級測試來(lái)發(fā)現，其中包括多個(gè)CAN控制器、CAN收發(fā)器和一根長(cháng)線(xiàn)纜。
結論
對CAN收發(fā)器進(jìn)行系統級測試有助于揭示系統中未來(lái)可能出現的數據傳輸問(wèn)題?？墒褂脻M(mǎn)足所需時(shí)序和電壓規格的CAN控制器和線(xiàn)纜來(lái)評估CAN收發(fā)器，從而避免這些問(wèn)題。CAN系統的穩健性取決于CAN系統中每個(gè)組件性能的累積結果。僅評估一個(gè)組件或CAN收發(fā)器并不能準確測量系統功能。對系統進(jìn)行預先驗證比等到發(fā)生故障后才更換系統更加經(jīng)濟高效。因此，我們強烈建議在選擇CAN控制器之前進(jìn)行系統級測試。
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