一種CAN總線匹配故障的快速診斷方法

趙寶全

（固安信通信號技術(shù)股份有限公司，河北 廊坊 065500）

0 引 言

CAN總線具有完善的地址競爭機(jī)制、故障保護(hù)機(jī)制和數(shù)據(jù)送達(dá)確認(rèn)機(jī)制，并且成本低、電磁兼容性能可控、通信速率高、EMC可控，占據(jù)了工業(yè)現(xiàn)場總線的大部分市場[1]。

物理層的良好阻抗匹配是CAN總線高質(zhì)量應(yīng)用的基石，如果匹配不良就會出現(xiàn)通信不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)堵塞等問題，更嚴(yán)重的會引起整個CAN總線通信失效，診斷的簡單辦法是通過靜態(tài)測試CAN總線的電阻值是否在60～120 Ω的范圍內(nèi)，但這只能解決一些簡單故障，對于復(fù)雜場景下CAN總線的阻抗則無法有效測試，如果使用網(wǎng)絡(luò)分析儀或者CAN總線故障診斷儀則價格昂貴、體積笨重、操作復(fù)雜，不適合現(xiàn)場應(yīng)用。本文通過對CAN總線的傳輸?shù)捻憫?yīng)時間這一關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行診斷，并總結(jié)了一套流程方法來解決此問題。

1 CAN總線介紹

CAN總線如圖1所示，由CAN控制器、CAN收發(fā)器、CAN總線傳輸通道和匹配元件構(gòu)成。CAN控制器主要完成數(shù)據(jù)鏈路層的功能，CAN收發(fā)器完成電平轉(zhuǎn)換功能，傳輸通道實(shí)現(xiàn)物理層的連接，匹配元件實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)淖杩蛊ヅ洹?/p>

圖1 CAN總線原理

CAN總線收發(fā)器如圖2所示，內(nèi)部由發(fā)送和接收兩部分構(gòu)成，作用是把TX的信號轉(zhuǎn)化為差分電平后驅(qū)動總線（即CANH和CANL的差分信號），并把CAN總線上的信號轉(zhuǎn)換為TTL電平后由RX送回給CAN控制器回讀進(jìn)行控制判斷。

圖2 CAN收發(fā)器原理

CAN控制器無數(shù)據(jù)收發(fā)時保持高電平，CAN總線傳輸通道保持隱形位電平，當(dāng)CAN控制器需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，控制CAN收發(fā)器TX引腳，CAN收發(fā)器驅(qū)動波形如圖3所示。CANH和CANL輸出電路如圖4所示。

圖3 CAN收發(fā)器波形

圖4 CANH和CANL輸出電路

CAN通信幀如圖5所示，CAN控制器在CAN通信幀的仲裁段發(fā)送幀ID時需要根據(jù)RX的回讀信號判斷總線競爭狀態(tài)[2]。如果CAN控制器向外發(fā)出的是隱形位信號（對應(yīng)TX為高電平），而RX回讀的是顯性位信號（對應(yīng)RX電平為低電平），那么CAN控制器則認(rèn)為存在更高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)也在向總線發(fā)送信號，那么CAN控制器就會停止本次發(fā)送，轉(zhuǎn)為從機(jī)監(jiān)聽?wèi)?yīng)答模式，待總線恢復(fù)空閑后再次嘗試競爭主機(jī)，如果錯誤的判斷競爭優(yōu)先級就導(dǎo)致無法發(fā)出信息。另外CAN控制器在CAN通信幀的ACK段通過RX回讀判斷ACK應(yīng)答位，如果無應(yīng)答就會多次重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，以確保信息送達(dá)，這樣就會阻塞信道。CAN總線本身由于其總線競爭的多主機(jī)制和數(shù)據(jù)送達(dá)確認(rèn)機(jī)制保障了工作可靠性，但總線物理層阻抗匹配不良則成為導(dǎo)火索引發(fā)出一系列數(shù)據(jù)鏈路層的問題，如果不能抓住問題的關(guān)鍵點(diǎn)，則會被故障表象所迷惑，無法快速地解決故障。

圖5 CAN通信幀

2 總線匹配的原因

通過圖2可知CAN收發(fā)器內(nèi)部的接收部分在總線側(cè)是高阻輸入，理想化可認(rèn)為是斷路，只分析發(fā)送部分即可。由于器件制造工藝原因，CANH和CANL之間存在電容等效為C1，總線的匹配電阻等效為R1，總線的線纜間電容等效為C2。

忽略R1和C2，當(dāng)TX為高電平時，開關(guān)管Q1和Q2關(guān)閉，CANH和CANL被拉到參考電平2.5V。若TX由高電平變低電平時，開關(guān)管Q1和Q2導(dǎo)通，穩(wěn)壓管Z1和Z2起分壓作用，C1被迅速充電，CANH和CANL分別被快速的拉到3.5 V和1.5 V，非?？斓男盘栕兓瘯?dǎo)致電磁輻射的增大，但是當(dāng)TX由低電平變高電平時，開關(guān)管Q1和Q2關(guān)閉，電容C1中的電荷只能通過R2和R3的高阻通路進(jìn)行緩慢放電，這就導(dǎo)致CANH和CANL恢復(fù)到參考電平非常緩慢，總線就會出現(xiàn)隱形位時間小于顯性位時間，從而導(dǎo)致總線競爭判斷錯誤或接收數(shù)據(jù)校驗錯誤而不應(yīng)答。線間電容C2并聯(lián)到C1上，更加劇了上述情況，所以才需要增加匹配終端電阻R1,其阻抗為60Ω左右，由于R1的分流作用，對電容的充電時間變長，總線信號邊沿上升時間變長改善了電磁兼容性能，在CANH和CANL由顯性位變?yōu)殡[形位時，R1又充當(dāng)了對C1和C2的低阻放電通路，使CANH和CANL快速恢復(fù)到參考電平，總線的顯性位和隱形位持續(xù)時間會趨于一致。通過以上分析可知為什么要對總線進(jìn)行阻抗匹配，以及阻抗不匹配時的現(xiàn)象，但是常規(guī)診斷方法僅僅對CANH和CANL的波形進(jìn)行測試，判斷是否達(dá)到3.5 V和1.5 V，無法分辨主機(jī)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)，無法直觀了解主機(jī)發(fā)送信息是否正確和從機(jī)是否及時的應(yīng)答，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的各種問題現(xiàn)象攪合在一起，無法快速有效的排查故障。

3 通過響應(yīng)時間特征快速診斷

通過對CAN收發(fā)器內(nèi)部的發(fā)送部分電路的分析了解了總線物理層需要阻抗匹配的原因，那么可以再利用其接收部分，更加直觀地了解到總線的顯性和隱形位，這樣就不必在總線側(cè)使用昂貴的差分探頭，直接在CAN收發(fā)器的TX和RX引腳處使用常規(guī)示波器探頭即可測試如圖3所示的t1和t2響應(yīng)時間。表1為參照器件SN65HVD230的數(shù)據(jù)手冊并且在斜率RS電阻為0的情況下的數(shù)值，如果超出此范圍則說明總線阻抗匹配不良，需要優(yōu)化調(diào)整[3]。其他器件可以參照對應(yīng)手冊中的規(guī)定條件下數(shù)值進(jìn)行測試診斷。

按照圖6所示流程步驟進(jìn)行故障診斷，首先進(jìn)行主機(jī)節(jié)點(diǎn)的判斷，找到主機(jī)節(jié)點(diǎn)后在收發(fā)器的RX也掛上示波器探頭，設(shè)置TX為下降沿觸發(fā)，觸發(fā)后測試t1和t2并按照表1進(jìn)行判斷，由此可以得知總線的物理層是否存在阻抗匹配問題。

圖6 診斷流程

表1 響應(yīng)時間

實(shí)際操作如圖7所示，示波器的2個通道分別接入普通探頭，探頭都撥入X10檔位，并校準(zhǔn)[4]。此處需注意，普通探頭X1檔位只有7 MHz的帶寬，而CAN信號最高可達(dá)1M比特的速率，且為方波，所以帶寬要求超過7 MHz[5]。CH1的探頭接入收發(fā)器的TX引腳，CH2的探頭接入收發(fā)器的RX引腳,觸發(fā)方式為下降沿，觸發(fā)電平設(shè)置為1.5 V，觸發(fā)源為CH1。

圖7 診斷接線圖

如圖8所示，CH1和CH2分別顯示了CAN收發(fā)器的TX和RX引腳的波形以及總線上其它節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答響應(yīng)。使用示波器的串行協(xié)議分析功能，在抓取的波形上可以自動完整的顯示出can幀的數(shù)據(jù)，如果示波器不具備串行協(xié)議分析功能可略過此步驟，直接觀察波形。確認(rèn)TX和RX引腳波形抓取無誤后，拉寬波形，采用光標(biāo)截取出t1的延時，如圖9所示，測量出的時間為80 ns，參考表1中70～155 ns的范圍可知，CAN總線一側(cè)工作良好。t2時間的測量方法類似，限于篇幅不再贅述。

圖8 CAN幀波形

圖9 CAN收發(fā)器的TX和RX引腳延遲時間

4 結(jié) 論

本文分析了CAN總線物理層阻抗匹配的原因，并介紹了通過在CAN收發(fā)器的TX和RX引腳測試信號的響應(yīng)時間來快速對CAN總線物理層進(jìn)行故障診斷方法，非常適合在現(xiàn)場對物理層的故障快速定位和評估修復(fù)情況。筆者在實(shí)際工作中已經(jīng)按照本文所述方法多次解決問題，并評估CAN總線的通信質(zhì)量，未來計劃按照此方法開發(fā)一套CAN總線時間測試工具，進(jìn)一步簡化現(xiàn)場操作步驟，提高效率。