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評估CAN收發(fā)器的正確系統(tǒng)級測試方法

發(fā)布時間:2023-07-11 來源:ADI 責任編輯:wenwei

【導讀】本文介紹了評估"控制器局域網"(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)點之間的數據傳輸時如何避免實際數據傳輸問題,解釋了此種測試方法的優(yōu)越之處。


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,因此被廣泛應用于工業(yè)自動化、家庭自動化和汽車應用中。


舊版CAN2.0提供8字節(jié)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(qū)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(jié)增加到64字節(jié)。


使用CAN-FD時,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了許多系統(tǒng)級操作優(yōu)勢。


CAN通信—基礎知識


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。


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圖1. 單一CAN節(jié)點。


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CANH和CANL電壓之間的差異,接收器在RXD引腳上回送信號。


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圖2. CAN協(xié)議物理層。


現在我們來看看CAN數據鏈路層,它制定了數據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。


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圖3. CAN協(xié)議數據鏈路層。


每個節(jié)點以幀起始符(SOF)開始數據幀,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字段表示要傳輸的數據字節(jié)數。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據幀。最后,幀結束符(EOF)是一個隱性位,標志著一個數據幀的結束。


大多數情況下,在選擇CAN收發(fā)器時,客戶通過函數生成器在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。


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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?,節(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(tǒng)中,有時位速率會較標準CAN2.0推薦的1 Mbps有所增加,以加快數據傳輸。在CAN-FD系統(tǒng)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,每個傳輸的位都被讀回以進行同步。


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。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據通信上限造成限制。


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)行數據通信。


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圖5. MAX33012E CAN數據傳輸。


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圖6. 競品的CAN數據傳輸。


這些類型的數據傳輸錯誤只能通過執(zhí)行完整的系統(tǒng)級測試來發(fā)現,其中包括多個CAN控制器、CAN收發(fā)器和一根長線纜。


結論


對CAN收發(fā)器進行系統(tǒng)級測試有助于揭示系統(tǒng)中未來可能出現的數據傳輸問題??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)進行預先驗證比等到發(fā)生故障后才更換系統(tǒng)更加經濟高效。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。



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