了解CAN收發(fā)器及如何驗證多節(jié)點CAN系統(tǒng)的性能

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)點系統(tǒng)中執(zhí)行不同CAN節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸時如何避免實際數(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)健的通信標準，用于支持不同的傳感器、機器或控制器進行相互通信。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，支持數(shù)據(jù)速率高達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。

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所示為標準的CAN幀格式。

圖3.CAN協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層。

每個節(jié)點以幀起始符(SOF)開始數(shù)據(jù)幀，SOF是第一個顯性位。11位標識符是每個節(jié)點的唯一地址。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是一個保留位。DLC字段表示要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。在標準CAN2.0幀中，最多可以傳輸8個字節(jié)。接收節(jié)點通過在總線上發(fā)送顯性位來確認該數(shù)據(jù)幀。最后，幀結(jié)束符(EOF)是一個隱性位，標志著一個數(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CAN，但在開發(fā)多節(jié)點、遠距離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)點試圖同時占用總線，則使用非破壞性逐位仲裁來進行訪問。將第一個標識符位作為0（顯性）發(fā)送的節(jié)點將保留對CAN總線的控制, 并繼續(xù)完成其消息傳送, 而其他節(jié)點發(fā)送的是1(隱性)。圖4所示為兩個節(jié)點之間的仲裁方案。

圖4.雙節(jié)點系統(tǒng)中的CAN仲裁。

在此圖中，節(jié)點1和節(jié)點2通過CAN總線相互連接。因此，CANH和CANL信號對于兩個節(jié)點是共用的。TXD1和RXD1是用于節(jié)點1的信號，而TXD2和RXD2是用于節(jié)點2的信號?？梢钥吹剑?jié)點1和節(jié)點2的前三位是相同的：分別為1、0、1。節(jié)點2的第四位是1，而節(jié)點1是0。由于節(jié)點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2確認。一旦節(jié)點1完成傳輸，節(jié)點2就開始發(fā)送消息。節(jié)點1確認此消息。

每個節(jié)點都有唯一的標識符ID。因此，這個11位的標識符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，有時位速率會較標準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10 Mbps。在包括11位標識符和SOF位的仲裁階段，每個傳輸?shù)奈欢急蛔x回以進行同步。

CAN節(jié)點在CAN總線邊緣上同步，但總線上的信號傳輸時間會在節(jié)點之間引入相位差。CAN的非破壞性仲裁機制要求任意兩個節(jié)點之間的相位差小于半個比特時間。該標準比特時間的下限定義了標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。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為是代價高昂的附加組件，因此客戶繼續(xù)使用標準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)點之間的線纜長度可能更短，CAN節(jié)點需要以更高的位速率（>2 Mbps）進行通信。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13.3 Mbps?？梢钥吹剑趫D5中，TXD2位寬為75 ns（對應(yīng)于13.3 Mbps），RXD2位寬為72 ns。當控制器以80%的TXD位寬進行采樣時，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)器并不能準確測量系統(tǒng)功能。對系統(tǒng)進行預(yù)先驗證比等到發(fā)生故障后才更換系統(tǒng)更加經(jīng)濟高效。因此，我們強烈建議在選擇CAN控制器之前進行系統(tǒng)級測試。