作者：Steven Keeping

　　控制器局域網(wǎng) (CAN) 是一種經(jīng)過驗(yàn)證且強(qiáng)大的通信標(biāo)準(zhǔn)，用于工業(yè)自動化和汽車領(lǐng)域等。該技術(shù)存在兩個(gè)版本：CAN2.0 和更新版本 CAN-Flexible Data (FD)。傳統(tǒng) CAN2.0 系統(tǒng)可以通過添加 CAN-FD 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行增強(qiáng)，這些節(jié)點(diǎn)提供更高的有效負(fù)載吞吐量來支持關(guān)鍵通信事件。

　　這些技術(shù)總體上是兼容的，但隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性和總線長度的增加，混合系統(tǒng)中CAN-FD的較高速度可能會導(dǎo)致同步問題，導(dǎo)致傳輸失敗。

　　對于簡單系統(tǒng)來說，涉及連接兩個(gè)控制器/收發(fā)器對的單個(gè)短總線的 CAN 系統(tǒng)測試可能是令人滿意的。然而，此測試通常無法檢測到結(jié)合 CAN2.0 和 CAN-FD 組件的更復(fù)雜的多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的問題。使用生產(chǎn)系統(tǒng)的雙胞胎對所有潛在用例進(jìn)行專門測試可以檢測現(xiàn)場可能發(fā)生的所有問題。

　　本文簡要介紹了CAN2.0和CAN-FD并解釋了傳輸挑戰(zhàn)。然后描述了確保使用這些網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)表現(xiàn)出最小現(xiàn)場故障的測試技術(shù)。它介紹了Analog Devices的示例組件，其中包含故障檢測和報(bào)告，并展示了使用此類組件如何加速已部署系統(tǒng)的測試階段和故障排除。還突出顯示了相關(guān)的評估板。

　　什么是CAN2.0和CAN-FD?

　　CAN 是具有內(nèi)置故障處理功能的分布式通信標(biāo)準(zhǔn)。物理層 (PHY) 和數(shù)據(jù)鏈路層 (DLL) 在 ISO-118981 標(biāo)準(zhǔn)中指定。

　　CAN 的特點(diǎn)包括：

　　總線上允許多個(gè)主機(jī)

　　消息固有的優(yōu)先級

　　按消息優(yōu)先級進(jìn)行總線仲裁

　　多個(gè)級別的錯(cuò)誤檢測和恢復(fù)

　　使用單獨(dú)的時(shí)鐘源跨節(jié)點(diǎn)同步數(shù)據(jù)時(shí)序

　　CAN 使用差分電壓數(shù)據(jù)傳輸方案，具有兩種總線電壓狀態(tài)：“隱性”(驅(qū)動器輸出為高阻抗)和“顯性”，閾值如表 1 所示。

　　邏輯RS-485 電平CAN狀態(tài)CAN 電平

　　1A-B≥+200mV隱性CANH – CANL ≤ 0.5V

　　0A - B ≤ -200 毫伏主導(dǎo)的CANH – CANL ≥ 0.9V

　　表 1：與 RS-485 相比的 CAN 隱性和顯性電壓電平。請注意，主導(dǎo)(較高)電壓對應(yīng)于邏輯“0”。 (圖片來源：Analog Devices)

　　節(jié)點(diǎn)傳輸邏輯“0”的顯性狀態(tài)(在此狀態(tài)下，一條總線(CANH)為高電平，另一條總線(CANL)為低電平)和邏輯“1”的隱性狀態(tài)。通過在標(biāo)準(zhǔn)幀或錯(cuò)誤幀結(jié)束后檢測多個(gè)隱性位來區(qū)分空閑 CAN 總線與隱性位傳輸模式的 CAN 總線(圖 1)。

　　圖1：CAN傳輸方案。空閑模式由多個(gè)隱性位標(biāo)識。 (圖片來源：Analog Devices)

　　CAN 收發(fā)器提供 DLL、CAN 控制器(通常嵌入到另一個(gè)設(shè)備(例如微控制器)內(nèi))和 CAN 總線的物理接線之間的差分 PHY 接口。圖 2 顯示了實(shí)現(xiàn) CAN 應(yīng)用程序所需的各種元素，以及它們與開放系統(tǒng)互連 (OSI) 層的關(guān)系以及每個(gè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的功能。

　　圖 2：CAN 收發(fā)器構(gòu)成 CAN 控制器和 CAN 總線之間的差分 PHY 接口。 (圖片來源：Analog Devices)

　　CAN2.0 于 1991 年推出，標(biāo)稱吞吐量為 500 kbits/s (Kbits/s)。由于這一數(shù)據(jù)速率有時(shí)不足以滿足關(guān)鍵通信事件的需要，因此 CAN-FD 于 2012 年推出。CAN-FD 在正常操作條件下提供高達(dá) 2 兆位每秒 (Mbits/s) 的標(biāo)稱吞吐量，在正常操作條件下提供高達(dá) 5 Mbits/s 的標(biāo)稱吞吐量用于診斷或編程。請注意，更高速的通信僅適用于消息有效負(fù)載;消息的其他元素，例如 11 位標(biāo)識符、循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 和確認(rèn) (ACK)，以 500 Kbits/s 的 CAN2.0 速率發(fā)送。

　　CAN2.0 和 CAN-FD 之間的另一個(gè)區(qū)別在于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀有效負(fù)載，它從 CAN2.0 的 8 字節(jié) (B) 增加到 CAN-FD 的 64 B。有效負(fù)載的增加通過提高開銷/數(shù)據(jù)比使 CAN-FD 通信更加高效。此外，以前由于 CAN2.0 的 8 B 有效負(fù)載限制而必須拆分的消息現(xiàn)在可以使用 CAN-FD 合并為一條消息。此外，由于數(shù)據(jù)速率更高且有效負(fù)載增加，因此可以通過 CAN-FD 消息加密來增強(qiáng)安全性。

　　由于 CAN-FD 控制器同時(shí)支持 CAN2.0 和 CAN-FD 協(xié)議，因此在同一網(wǎng)絡(luò)中混合使用 CAN2.0 和 CAN-FD 節(jié)點(diǎn)是很常見的。混合節(jié)點(diǎn)很受歡迎，因?yàn)樗试S傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在較長時(shí)間內(nèi)遷移到更快的協(xié)議?；旌舷到y(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是額外的成本和復(fù)雜性，因?yàn)槭瞻l(fā)器必須能夠支持 CAN2.0 節(jié)點(diǎn)上的 CAN-FD 過濾方法，以確保在 CAN-FD 通信期間不會創(chuàng)建錯(cuò)誤幀。

　　CAN的仲裁和錯(cuò)誤機(jī)制

　　任何連接的 CAN 節(jié)點(diǎn)都可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偩€上。為了避免通信沖突，節(jié)點(diǎn)對總線的使用進(jìn)行仲裁，以便消息根據(jù)其優(yōu)先級依次傳輸。 CAN采用非破壞性、透明的仲裁;在仲裁期間成功的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)傳輸其較高優(yōu)先級的消息，而沒有任何其他節(jié)點(diǎn)干擾或破壞該信息。這種仲裁是可能的，因?yàn)轱@性位的傳輸會覆蓋隱性總線狀態(tài)。

　　標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀包括消息標(biāo)識符和幾個(gè)標(biāo)志位。該信息被稱為“仲裁字段”。它規(guī)定了仲裁，從而規(guī)定了消息優(yōu)先級。 ID 較低(開頭“0”較多)的消息具有較高優(yōu)先級(圖 3)。

　　圖 3：CAN 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀包括消息標(biāo)識符以及 RTR 和 IDE 標(biāo)志位。該仲裁字段規(guī)定仲裁和消息優(yōu)先級。 (圖片來源：Analog Devices)

　　即使有仲裁方案，事情也可能會出錯(cuò)。為了解決問題，CAN 協(xié)議具有支持錯(cuò)誤檢查和處理的機(jī)制。這些機(jī)制包括：

　　傳輸位驗(yàn)證

　　CRC校驗(yàn)

　　固定格式位字段檢查

　　強(qiáng)制消息ACK

　　使用以下機(jī)制處理錯(cuò)誤：

　　錯(cuò)誤幀

　　錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器

　　節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤狀態(tài)

　　任何 CAN 控制器都可以檢測錯(cuò)誤并通過觸發(fā)錯(cuò)誤幀和錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)計(jì)數(shù)器做出反應(yīng)。錯(cuò)誤幀通過使用六個(gè)連續(xù)的顯性或隱性位來區(qū)分。這樣的序列與正常的傳輸規(guī)則不一致，使其可以被其他節(jié)點(diǎn)檢測到。發(fā)送錯(cuò)誤幀的節(jié)點(diǎn)隨后發(fā)送隱性位，直到檢測到總線處于隱性狀態(tài)。進(jìn)一步傳輸七個(gè)隱性位后，節(jié)點(diǎn)可以嘗試傳輸常規(guī) CAN 幀(圖 4)。

　　圖 4：在此錯(cuò)誤傳輸示例中(由于額外位 [1] 導(dǎo)致 CRC 位錯(cuò)誤)，最右側(cè)顯示了六個(gè)連續(xù)位錯(cuò)誤幀。 (圖片來源：Analog Devices)

　　除了錯(cuò)誤幀傳輸之外，每個(gè) CAN 節(jié)點(diǎn)還實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器。錯(cuò)誤使計(jì)數(shù)加一，而成功發(fā)送或接收消息則使計(jì)數(shù)器減一。根據(jù)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器，節(jié)點(diǎn)可能處于“錯(cuò)誤主動”、“錯(cuò)誤被動”或“總線關(guān)閉”狀態(tài)。在錯(cuò)誤活動狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)可以在總線上進(jìn)行通信，并在檢測到錯(cuò)誤時(shí)發(fā)送活動錯(cuò)誤標(biāo)志。當(dāng)計(jì)數(shù)器超過127時(shí)，出現(xiàn)錯(cuò)誤被動狀態(tài);在這種狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)只能發(fā)送被動錯(cuò)誤標(biāo)志。一旦計(jì)數(shù)器低于 127，節(jié)點(diǎn)將再次變?yōu)殄e(cuò)誤活動狀態(tài)。如果計(jì)數(shù)器超過 256，節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)，并且無法在總線上通信。節(jié)點(diǎn)計(jì)數(shù)器在接收到 128 個(gè) 11 個(gè)連續(xù)隱性位的序列后可以重置為 0。

　　綜合測試的重要性

　　CAN 的仲裁和錯(cuò)誤機(jī)制有助于在發(fā)生故障時(shí)保持系統(tǒng)在現(xiàn)場運(yùn)行。然而，通過設(shè)計(jì)限制發(fā)送和接收故障的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)更高效率的操作。在多種操作場景下測試所提議的系統(tǒng)是在部署之前識別和修復(fù)弱點(diǎn)的一種方法。

　　一種常見的技術(shù)是通過使用函數(shù)發(fā)生器將典型的操作標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)绞瞻l(fā)器的 TxD 引腳并檢查是否發(fā)生任何錯(cuò)誤來測試所選 CAN 收發(fā)器。雖然這是對單節(jié)點(diǎn)的合理測試，但它并不能很好地代表具有長總線的多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在現(xiàn)場的執(zhí)行情況。例如，復(fù)雜系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題包括高頻操作期間電路存根產(chǎn)生的反射和其他偽影。這些會在位之間引入相移。

　　CAN 的仲裁機(jī)制僅在位同步時(shí)才起作用。如果比特到比特的相移超過單個(gè)比特傳輸時(shí)間的二分之一，則同步失敗，并且仲裁不可能。

　　在以 500 Kbits/s 至 1 Mbit/s 運(yùn)行的 CAN2.0 傳統(tǒng)系統(tǒng)中，單比特傳輸時(shí)間足夠長，導(dǎo)致相移很少成為問題。然而，由于 CAN-FD 的吞吐速度更高，比特傳輸時(shí)間縮短，并且相移很快就會變得顯著。

　　為了緩解此類挑戰(zhàn)，需要從簡單地測試單個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)向通過復(fù)制完整的終端系統(tǒng)并在各種操作條件下進(jìn)行測試來驗(yàn)證設(shè)計(jì)。雖然這比基本測試更耗時(shí)、更昂貴，但它比處理現(xiàn)場故障和不滿的客戶要便宜得多。

　　一個(gè)實(shí)際的例子

　　要了解相移測試在實(shí)踐中的工作原理，請考慮使用入圍供應(yīng)商提供的 CAN 收發(fā)器和 CAN 控制器設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。該節(jié)點(diǎn)連接到 20 米 (m) 總線，該總線還支持許多其他節(jié)點(diǎn)，包括 CAN2.0 和 CAN-FD 組件。出于測試目的，節(jié)點(diǎn)的傳輸速度為 13.3 Mbits/s，相當(dāng)于 75 納秒 (ns) 的位寬度。出于同步和仲裁目的，控制器以 TxD 位寬度的 80% 進(jìn)行采樣，因此需要 0.8 x 75 = 60 ns 的最小 RxD 位寬度，包括上升時(shí)間、下降時(shí)間和環(huán)路延遲。測試組件產(chǎn)生 48 ns 的 TxD 位寬，導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

　　在替代 CAN 收發(fā)器(來自 Analog Devices 的MAX33012EASA+)上執(zhí)行了相同的測試。在此測試中，TxD 位寬度在 75 ns 時(shí)測量，RxD 位寬度在 72 ns 時(shí)測量。 72 ns 位寬超出了 60 ns 的 80% 采樣時(shí)間要求，因此系統(tǒng)同步和仲裁運(yùn)行令人滿意。 13.3 Mbits/s 的吞吐量比系統(tǒng)在目標(biāo)應(yīng)用中使用的吞吐量要快，這表明它足夠強(qiáng)大，可以在所有預(yù)期的操作條件下運(yùn)行(圖 5)。

　　圖 5：在 20 m 總線上以 13.3 Mbits/s(75 ns TxD 位寬)運(yùn)行 MAX33012EASA+ CAN 收發(fā)器的測試結(jié)果。 RxD 位寬為 72 ns，足以確?？刂破鞯?80% 采樣時(shí)間(60 ns)得到滿足并實(shí)現(xiàn)同步。 (圖片來源：Analog Devices)

　　內(nèi)置故障排除

　　通過使用包含故障檢測和報(bào)告的組件，可以使測試周期變得更容易且更便宜。 MAX33012EASA+ CAN 收發(fā)器等組件不僅可以快速突出原型和預(yù)生產(chǎn) CAN 電路的問題，而且對于快速故障排除對于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)部署非常重要的應(yīng)用也非常有用。

　　MAX33012EASA+是一款+5V CAN收發(fā)器，可解決過流、過壓和傳輸故障等常見故障。它具有高達(dá) ±65 V 的故障保護(hù)，使其適合需要過壓保護(hù)的應(yīng)用。 ±25 伏的共模電壓范圍可在嘈雜的環(huán)境(例如重型機(jī)械環(huán)境)中進(jìn)行通信。 CANH 和 CANL 輸出具有短路電流限制，并通過將驅(qū)動器輸出置于高阻抗?fàn)顟B(tài)的熱關(guān)斷電路來防止功耗過高。

　　MAX33012EASA+ 的工作速率高達(dá) 5 Mbits/s，并可選擇將壓擺率降低至 8 伏/微秒 (μs)，以最大程度地減少電磁干擾 (EMI)，并允許使用非屏蔽雙絞線或并行電纜(圖 6)。

　　圖 6：所示為多模系統(tǒng)中的 MAX33012EASA+ 應(yīng)用電路。在此示例中，微控制器包括嵌入式 CAN 控制器。 (圖片來源：Analog Devices)

　　CAN 收發(fā)器的故障檢測在加電時(shí)通過 TxD 傳遞 100 個(gè)從低到高的轉(zhuǎn)換(通常是一兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀，具體取決于使用的協(xié)議)來啟用。啟用故障檢測后，如果檢測到故障，則需要 TxD 上另外 16 個(gè)低到高轉(zhuǎn)換來傳輸故障代碼。最后，還需要 10 個(gè)脈沖才能清除故障。

　　當(dāng)故障檢測使能后連續(xù) 10 個(gè)周期 RxD 上的信號與 TxD 不匹配時(shí)，將觸發(fā)傳輸故障檢測。例如，當(dāng)兩個(gè)終端電阻器均缺失，或者 CANH 與地之間或 CANL 與 VDD 之間存在短路時(shí)，就會發(fā)生這種情況，從而導(dǎo)致差分信號不符合規(guī)格。

　　Analog Devices 提供評估板 CANbus 接口 Arduino 平臺評估板 MAX33012E，可用于演示 MAX33012E 的功能。雖然該設(shè)備具有 Arduino 擴(kuò)展板外形尺寸，但它可以用作獨(dú)立的評估板。

　　結(jié)論

　　為了確保多模式 CAN2.0 和 CAN-FD 混合系統(tǒng)可靠的現(xiàn)場運(yùn)行，徹底測試整個(gè)設(shè)計(jì)非常重要。然而，在檢測故障時(shí)，簡單的單節(jié)點(diǎn)測試是不夠的，這些故障隨后可能因同步問題而導(dǎo)致現(xiàn)場故障，從而破壞技術(shù)的仲裁機(jī)制。通過選擇具有內(nèi)置故障檢測和報(bào)告功能的 CAN 收發(fā)器，可以簡化混合多節(jié)點(diǎn) CAN 系統(tǒng)的初始測試和后續(xù)現(xiàn)場故障排除。