CAN總線網絡測試研究*

徐 榕 ，何首文 ，朱昌明

(1.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海200240；2.長沙中聯重工科技發(fā)展有限公司，湖南 長沙410013)

現場總線技術已成為當今工業(yè)自動化技術發(fā)展的熱點。CAN（Controller Area Network）即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。1991年9月，Philips Semiconductors公司制訂并發(fā)布了CAN技術規(guī)范(V2.0)，該規(guī)范包括A、B兩部分。此后，1993年11月，ISO正式頒布了道路交通運載工具——數字信息交換——高速通信控制器局域網(CAN)國際標準ISO 11898。CAN是一種多主從方式的串行數據通信總線，傳輸速率高，抗電磁干擾性強，能檢測通信錯誤。作為一種技術先進、可靠性高、功能完善、成本合理的網絡通信控制方式已被廣泛應用到各個自動化領域，如汽車工業(yè)、工程機械、航空工業(yè)，被公認為幾種最有前途的現場總線之一[1]。

CAN總線網絡系統(tǒng)的開發(fā)是在網絡協議定義的框架下，對總線涉及的多個節(jié)點設備之間的數據交換的過程進行控制，涉及各個設備本身對數據交換的需求和響應，系統(tǒng)復雜，按照其功能可以劃分為：總體設計、節(jié)點設計和測試驗收?？傮w設計主要負責整個網絡功能定義，傳輸協議的設計、仿真，系統(tǒng)節(jié)點模型的建立和仿真，提出各節(jié)點的功能描述，包括節(jié)點電氣特性和功能特性，并交付各節(jié)點設計人員實現；節(jié)點設計則根據提出的節(jié)點功能描述進行網絡節(jié)點設備的開發(fā)，包括硬件設計和軟件開發(fā)，并協助其他開發(fā)人員完成對本節(jié)點設備的調試和測試。測試驗收根據網絡功能定義描述，制定網絡功能測試流程，建立網絡測試平臺，對各節(jié)點進行測試驗收和全網絡系統(tǒng)平臺實驗。

統(tǒng)一的開放式平臺使得CAN網絡設計人員和其他開發(fā)人員（如軟件工程師，測試工程師等）共享成果，減少了重復工作，加快了開發(fā)進度。此外，在節(jié)點設計之前，對整個網絡的協議和各節(jié)點功能進行全網絡仿真，可以在設計的最初階段發(fā)現和糾正設計中的錯誤或者疏漏；在硬件平臺搭建之前進行功能仿真，減少了節(jié)點設備開發(fā)階段由于軟件設計缺陷帶來的時間和資源的浪費；軟件仿真階段的成果可以直接用于對節(jié)點設備的測試檢查。在整個網絡系統(tǒng)實體構建完成前，通過CAN總線接口設備和殘余總線技術，對已經實現的節(jié)點進行實物仿真。

1 CAN總線節(jié)點組成和功能

CAN總線節(jié)點位于傳感器和執(zhí)行機構所在的工業(yè)現場，完成現場數據采集、控制和通信功能。典型CAN節(jié)點一般包括總線收發(fā)器和協議控制器、主控制器，以及傳感器和執(zhí)行器，如圖1所示。CAN協議通信由總線收發(fā)器和總線控制器完成，協議控制器完成CAN協議數據鏈路層（MAC）的報文分幀、仲裁應答、錯誤檢測和標定，以及邏輯鏈路控制子層（LLC）的報文過濾、過載通知、恢復管理等具體服務；總線收發(fā)器完成CAN協議物理層功能，是CAN控制器和物理傳輸線路之間的接口。許多CAN節(jié)點采用了總線收發(fā)器（PCA82C250）、協議控制器（SJA1000）和主控制器（51系列單片機）方案，也有不少節(jié)點采用了內嵌協議控制器的微處理器（P8XC592/ARM）和數字信號處理器（TMS320F2407F）方案。

2 CAN總線測試平臺的組成

本文采用了Vector公司出品的CAN總線開發(fā)測試集成環(huán)境和工具構建了開放式開發(fā)測試平臺，對由3個節(jié)點組成的CAN總線通信網絡進行測試，優(yōu)化總線參數，提高了CAN通信抗干擾能力。CAN總線測試網絡由執(zhí)行機構節(jié)點、遠程傳輸節(jié)點、狀態(tài)監(jiān)測節(jié)點組成。執(zhí)行機構節(jié)點控制器采用TMS320F2407（內嵌CAN控制器），驅動執(zhí)行機構完成相應功能，發(fā)送電機轉角編碼和瞬時轉矩電流信息報文；遠程傳輸節(jié)點是一個CAN/GPRS的網關，功能是將報文信息轉發(fā)至遠程節(jié)點。狀態(tài)監(jiān)測節(jié)點則是一個基于PC和虛擬儀器（LabVIEW）的操作面板，轉換并顯示報文的物理量信息，同時控制執(zhí)行機構的運行。

CAN總線測試環(huán)境和工具包括總線記錄儀、總線干擾儀和開發(fā)測試仿真環(huán)境[2-4]?？偩€記錄儀和總線干擾儀作為節(jié)點接入測試總線，如圖2所示。其中總線記錄儀（Vector CANcaseXL）接收、錄制、存儲和評估不同的CAN總線網絡信號和報文，記錄其工作狀態(tài)和故障情況，便于在隨后的回放中分析故障原因，提出優(yōu)化改進的方法和措施；總線干擾儀（Vector CANStressDR）生成總線信號、總線物理屬性和邏輯電位的各種干擾，在實驗室環(huán)境下模擬實際工況中可能出現的斷路、短路，模擬不同長度的傳輸電纜，也可對報文特定位進行干擾以檢查總線的抗干擾能力；開發(fā)測試仿真環(huán)境 （Vector CANoe）集成了總線開發(fā)和測試，通過定義報文數據庫，觀測報文數據并換算為相應的物理量顯示。通過仿真總線和實際總線的切換，不僅可以測試現場信號，還可對錄制的信號進行回放分析，分析查找故障原因。

3 CAN總線位定時參數的計算

在CAN通信協議中，波特率、每個位周期的采樣位置和個數都可以自行設定，CAN總線上不同節(jié)點之間通過約定的通信速率進行通信，通過調整位定時參數可以優(yōu)化網絡通信性能，例如，位周期內的采樣位置偏后，能容忍較大的信號傳輸延遲，即總線傳輸距離可以延長；取樣位置接近中間，則可以容忍CAN總線上節(jié)點間參考時鐘的誤差，顯然兩者是矛盾的，為了協調這種矛盾，必須對位定時參數進行優(yōu)化設置。常用的通信速率有100 kb/s、125 kb/s、250 kb/s、500 kb/s和 1 Mb/s等，對于常用的波特率，在一些CAN總線通信測試軟件中可以通過列表框進行選擇，對一些特殊的波特率，如本實測網絡采用了66.7 kb/s的通信速率，又或雖然是常用的波特率，但出于優(yōu)化網絡通信性能的需要，選擇特定的位定時參數時，就要計算并通過總線時序寄存器設置位定時參數。

總線時序寄存器BTR0和BTR1定義如表1、表2所示。

表1 總線時序寄存器0（BTR0）定義

表2 總線時序寄存器 1（BTR1）定義

位定時參數按式(1)計算[5-6]：

其中：tbit為位周期長度，fbit為通信波特率，tSYNC_SEG為同步段周期，tTSEG1為相位緩沖段1周期，tTSEG2為相位緩沖段2周期，BRP為波特率預設值，NBT為位周期的標量值，fclk為參考時鐘頻率。

實測總線通信速率為fbit=66.7 kb/s，預設的位定時參數為：tSYNC_SEG=1，tTSEG1=9，tTSEG2=5，SJW=3，SAM=1，NBT=15，而BRP則由于節(jié)點的參考時鐘頻率不同而不同。位周期的標量值（NBT）取值區(qū)間為 3～25，在 1個采樣點時，最小值一般取4；在 3個采樣點時，最小值一般取5，實測網絡取為NBT=15。當CAN總線控制器 SJA1000采用不同的參考時鐘頻率時，BTR0和BTR1取值也不同。例如，當時鐘頻率為24 MHz時，根據式(1)計算可得：

根據表1和表2的定義可知可得：BTR0=0x8b，BTR1=0xc8。同理，當參考時鐘頻率為16 MHz時，則：

4 CAN總線網絡測試

首先利用開發(fā)測試仿真環(huán)境（CANoe）定義CAN總線測試網絡，如圖 3所示，其中 Door Controller表示執(zhí)行機構節(jié)點，Performance Meter代表狀態(tài)監(jiān)測節(jié)點，Remote Gateway代表遠程傳輸節(jié)點；系統(tǒng)則自動生成Basic CAN代表總線，以及Bus Scope總線記錄儀和Replay Block總線回放“虛擬”節(jié)點。采用CANcaseXL記錄運轉過程中總線上的報文信息和總線負載，并在CANoe環(huán)境下進行回放、分析，如圖4所示。

表3 不同終端電阻下差錯率

CAN總線在不同的應用場合，其總線長度、總線負載、終端電阻、環(huán)境各不相同，導致無法針對實際工況進行優(yōu)化，提高數據通信的可靠性。利用本文所述的測試工具和平臺，可以對現場工況進行記錄回放，或在實驗室進行模擬測試，幫助開發(fā)人員和測試人員盡可能準確地定位故障，從而提高開發(fā)的效率。本文的模擬測試結果表明，電氣和參數對CAN總線上通信性能影響較大，通過測試工具模擬發(fā)現，終端電阻對提高通信質量，降低報文差錯影響較大。通過測試工具分別模擬了CAN總線短路、75 Ω、120 Ω、開路等終端電阻，通信過程中正確幀和錯誤幀速率測試數據如表3所示，可以看出終端電阻為120 Ω時通信差錯率最小。

[1]鄔寬明.CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,1996.

[2]Vector Informatic GmbH.CANoe User manual,Version 4.1[S].

[3]Vector Informatic GmbH.CANcaseXL/log,Version 3.0[S],User Manual.

[4]Vector Informatic GmbH.CANStress Manual,Version 2.1[S].

[5]PHILIPS.Determination of bit timing parameters for the CAN Controller SJA1000[S],1997.

[6]吳永.CAN總線位定時參數的確定[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2003(10)：19-22.