如何使用正確的示波器簡化 CAN 總線網絡測試

車載網絡 (IVN) 能夠讓微控制器和發動機控制單元 (ECU) 處理器與傳感器、執行器、指示器、顯示器之間實現相互通信。控制器區域網絡 (CAN)總線便是經典的 IVN 之一。CAN 問世至已有近三十年，并且仍在繼續發展。

正如 ISO11898 標準中描述的那樣，經典 CAN 總線的數據速率高達 1 Mbps，并使用單根雙絞線處理中等帶寬需求。CAN 總線像所有有源網絡一樣將繼續發展以滿足行業需求。例如，CAN 靈活的數據速率 (CAN FD) 將數據率提高到 5 Mbps。最新的 CAN 標準是超長 CAN (CAN XL)，其運行速度可達 10 Mbps 或更高;且兩者都向后兼容傳統 CAN。

CAN 網絡的物理層 (PHY) 布線由 CAN 節點之間的雙絞線完成(圖 1)。

圖 1：CAN 網絡采用端接式雙絞線布線，且節點采用垂線連接方式。每個節點都有一個 CAN收發器和一個具有 CAN 控制器功能的微控制器單元 (MCU)。(圖片來源：Texas Instruments)

CAN 網絡的總線布線要求在總線兩端分別端接 120 Ω電阻器，以最大限地度減少反射。總線速率取決于 CAN 的具體實施，并受到網絡實際長度的影響。網絡越長，能支持的最大數據速率就越低。1 Mbps 的數據率適合 40 m 或更短的網絡長度。

在通信過程中，使用雙絞線中的兩根線實現差分，指定為 CANH 和 CANL：要在端接雙絞線的 60 Ω 差分負載上實現 1.5 V 差分信號，需要使用 CAN 收發器驅動器。信號電平被稱為顯性電平和隱性電平。顯性電平(“1”)具有大于或等于 0.9 V 的差分電壓。隱性電平(“0”)具有小于 0.5 V 的差分電壓(圖 2)。

圖 2：所示為 CAN 總線 CANH 和 CANL 導線的差分信號定義。(圖片來源：Texas Instruments)

總線驅動器能夠自動將總線驅動到顯性狀態，而返回到隱性狀態則依賴于通過端接進行的電阻放電。它還允許顯性位覆蓋隱性位狀態。此功能用于確認和總線仲裁。

測試 CAN 總線

可用示波器測試 CAN 總線的 PHY。確保示波器和相關探頭的帶寬大約是串行數據信號的時鐘速率的 5 倍。如果考慮整個的 CAN 總線數據速率范圍，那么 CAN XL 的數據字段的最大速率是 20 Mbps。這表明我們應該使用一個帶寬超過 100 MHz 的示波器。讓我們選用 Teledyne LeCroy 的 HDO4024A 示波器。這是一款帶寬為 200 MHz 的四通道示波器。

連接 CAN 總線

用探頭將示波器與 CAN 總線連接。可以用示波器附帶的兩個 10:1 高阻抗探頭。這樣，就可以查看差分組件，即 CANL 和 CANH。為了查看差分信號，使用示波器的差分數學函數，用 CANH 減去 CANL(圖 3)。

圖 3：CANH(頂部軌跡)，CANL(中心軌跡)以及 CAN 差分信號(底部軌跡)。差分信號是用示波器的差分數學函數計算出來的。(圖片來源：Teledyne LeCroy)

一個更好的方法是使用類似 Teledyne LeCroy ZD200 的差分探頭。ZD200 的帶寬為 200 MHz，差分電壓范圍為 ±20 V，共模電壓范圍為 ±60 V。該探頭有兩個輸入：非反相 (+) 輸入連接到 CANH，而反相輸入 (-) 則連接到 CANL。因為我們使用的是差分探頭，所以只需一個示波器通道(圖 4)。這表示一個持續時間為 100 ms 的 CAN 信號，且包含大約 20 條信息。底部是一個水平擴展的縮放軌跡，顯示了較長時間采集過程中的單條信息。

圖 4：所示為一個持續時間為 100 ms 的 CAN 信號，通過差分探頭采集了大約 20 條信息。水平擴展的縮放軌跡(底部)顯示了較長時間采集過程中的單條信息。(圖片來源：Art Pini)

差分探頭的另一個優點是，能夠削弱兩個輸入端共有的任何噪聲或瞬態，從而提高測量信噪比 (SNR)。這在充滿電噪聲的車輛環境中尤為重要。

CAN 協議

CAN 總線信息遵守標準化協議，允許網絡在需要時進行數據和指令尋址(圖 5)。

圖 5：CAN 協議提供了一個在總線上傳輸數據并驗證其是否被接收的架構。該協議還提供錯誤檢查。(圖片來源：Texas Instruments)

在 CAN 總線方面，Teledyne LeCroy 示波器提供了一個讓人喜歡的、非常有用的選項：CAN 和 CAN FD 觸發和解碼軟件。HDO4K-CAN BUS TD 示波器軟件適用于傳統 CAN 網絡，而 HDO4k-CAN FD TD 選項適用于 CAN FD 總線。利用這些選項，示波器可在出現特定的 CAN 消息內容時觸發，包括消息 ID、ID 加數據內容、遠程消息、錯誤事件或者所有消息。主要功能是對信息進行解碼——就像一臺協議分析儀(圖 6)。

圖 6：HDO4K-CAN BUS TD CAN 觸發和解碼選項會讀取 CAN 信息，并以不同顏色覆蓋這些信息，以顯示不同的字段及其內容。(圖片來源：Art Pini)

每個信息字段都通過覆蓋特定的顏色及文本標簽來識別。每條信息也被列在位于所顯示波形下方的表格中。點擊表格中的任何條目，相關的波形便在縮放軌跡中顯示，以便仔細檢查。

點擊表格的標題，用戶可以搜索或篩選該字段內符合特定條件的表格條目，并只顯示需要的條目。例如，通過選擇 ID 字段，只顯示具有特定 ID 或特定 ID 范圍的條目。

通過選擇符號查看，示波器將使用行業標準的數據庫 CAN (DBC) 文件，將十六進制字段條目轉換成描述每個字段的純語言文本(圖 7)。

圖 7：符號解碼將原始十六進制數據轉換成純文本，以幫助解釋 CAN 信息中包含的數據。(圖片來源：Art Pini)

例如，擴展發動機冷卻液的消息內容，以顯示數據包括了冷卻液溫度、壓力和液位信息。

解碼選項還顯示了填充位的存在。如果位序列包含五個或更多個相同狀態的位，則控制器將會插入一個相反狀態的填充位，以確保信號中有足夠多的邊沿來保持同步。這些填充位會被接收器移除，以確保數據內容正確無誤。在前面兩幅圖中，用 SB 標簽顯示這些填充位。

結語

盡管 CAN 總線技術已經很成熟，但仍在不斷發展和適應，以滿足汽車工程師的需求。示波器也是如此。設計人員可以使用配有適當探頭的示波器和可選的觸發和解碼軟件，將其作為一種有效的工具來簡化 CAN 總線網絡的測試和故障查找。

(來源：作者：Art Pini)