CAN總線載波偵聽點位測量方法研究

肖彬

(航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所,北京 100095）

0 引言

CAN數(shù)據(jù)總線是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一,得益于其高可靠性、高容錯性以及強實時性等優(yōu)勢,在要求嚴苛的航空、航天、汽車與工業(yè)現(xiàn)場等領(lǐng)域已得到大量應(yīng)用[1-3]。該總線具備空閑偵聽、沖突檢測與逐位仲裁等核心功能,可以實現(xiàn)多主節(jié)點組網(wǎng),并大幅度提升傳輸效率及容錯性,同時也使高優(yōu)先級消息無延時占用總線傳輸[4-7]。

目前,CAN總線的上述核心功能均以“載波偵聽”技術(shù)為基礎(chǔ),該技術(shù)的可靠性會直接影響各節(jié)點對總線信號的判斷與處理,從而關(guān)系到整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性。載波偵聽采樣點(以下簡稱“采樣點”)的位置由不同供應(yīng)商根據(jù)不同的應(yīng)用場景進行設(shè)定[8],在高可靠性要求的應(yīng)用領(lǐng)域中,采樣點的位置設(shè)置不當(dāng)可能導(dǎo)致節(jié)點對總線信號誤判,造成通訊實時性降低或節(jié)點失效,甚至使整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓[9-10]。各領(lǐng)域規(guī)范中,對采樣點位提出了要求或建議,并指出網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的采樣點位容差越小,網(wǎng)絡(luò)的最大可能長度越長,網(wǎng)絡(luò)傳輸越穩(wěn)定。

汽車及飛機機載系統(tǒng)中電磁環(huán)境非常惡劣,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)會受到高強輻射場(HIRF)、單粒子效應(yīng)以及逆變器、電動機、充電機等大功率設(shè)備的電磁輻射[9-10],網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量會受到不同程度的影響。

如圖1所示,由逆變器干擾測試數(shù)據(jù)可以看出,失真或畸變的差分信號在電平跳變時刻的信號干擾最為嚴重,隨著電平的狀態(tài)保持而趨于穩(wěn)定。在干擾信號傳輸中,如果采樣點位靠近跳變邊沿,則很可能采集到失真波形,造成對傳輸信號的錯誤判斷,導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗。

圖1 逆變器對CAN數(shù)據(jù)總線信號的干擾Fig.1 Interference of inverter to CAN bus signal

因此,在節(jié)點接入總線網(wǎng)絡(luò)前,有必要對其采樣點位進行測試,利用測試數(shù)據(jù)對其采樣點位進行修正,修正后的節(jié)點接入總線網(wǎng)絡(luò)可大幅度提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性與安全性。

1 測量原理

1.1 載波偵聽采樣點

CAN節(jié)點控制器在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中為每比特時間設(shè)立一個載波偵聽采樣點,如圖2所示,對傳輸網(wǎng)絡(luò)物理層信號進行采樣確認,如果采集幀聽狀態(tài)與自身輸出狀態(tài)不一致,表示該節(jié)點與總線上其他節(jié)點的傳輸發(fā)生沖突,該節(jié)點將執(zhí)行相應(yīng)處理措施[11]。

圖2 比特時間組成及采樣點定義Fig.2 Bit time composition and sampling point definition

CAN協(xié)議定義一個“比特時間”分為同步段、傳播段、相位緩沖段1和相位緩沖段2,采樣點位于相位緩沖段1末端,各段以不同數(shù)量的Tq構(gòu)成[11]。由于各段位包含的Tq數(shù)量可按協(xié)議規(guī)定范圍調(diào)整,因此載波偵聽采樣點位置也會隨之變化。

1.2 錯誤檢測機制

在CAN總線協(xié)議中,數(shù)據(jù)幀傳輸過程伴有五種錯誤檢測機制,包括:位錯誤、ACK錯誤、填充錯誤、CRC錯誤與格式錯誤[11],如表1所示。

表1 CAN協(xié)議數(shù)據(jù)幀錯誤檢測機制及作用范圍Tab.1 Error detection mechanism and scope of CAN protocol data frame

在節(jié)點發(fā)送端或接收端檢測到錯誤后,各節(jié)點會以發(fā)送“錯誤幀(連續(xù)6比特相同信號狀態(tài))”的方式通知總線上其他節(jié)點,并且發(fā)送端在錯誤界定結(jié)束后將重新發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

1.3 錯誤注入

采樣點位的測試方法將以錯誤注入的形式進行,在CAN總線錯誤注入類型選取時,對錯誤處理判斷的復(fù)雜程度以及被測設(shè)備配置的難易度進行綜合考慮[11-14],最終選擇利用CRC校驗錯誤及相關(guān)處理機制對采樣點位進行測試試驗。

在CAN總線物理層協(xié)議特性中,邏輯狀態(tài)“0”優(yōu)先級高于邏輯“1”,因此在總線網(wǎng)絡(luò)中,如果有任何節(jié)點將總線電平轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛?”時,其他節(jié)點將無法改變總線狀態(tài)[11]。

圖3(a)是一個正確數(shù)據(jù)的傳輸過程,節(jié)點1和節(jié)點2在同一個網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點1發(fā)送一幀正確數(shù)據(jù),并且在ACK槽位保留邏輯“1”電平(如藍色發(fā)送信號),節(jié)點2監(jiān)測到總線網(wǎng)絡(luò)中到來的數(shù)據(jù)信號,判斷數(shù)據(jù)幀正確后,在該數(shù)據(jù)的ACK槽位向總線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送一個邏輯“0”的反饋信號(如綠色發(fā)送信號與紅色總線網(wǎng)絡(luò)信號),同時節(jié)點1從總線網(wǎng)絡(luò)中幀聽到ACK槽位的反饋信號(如藍色接收信號),則節(jié)點1認為數(shù)據(jù)發(fā)送成功。如圖3(b)所示,如果節(jié)點1發(fā)送含有CRC錯誤的數(shù)據(jù)幀,節(jié)點2在ACK槽位將不會做出反饋。

圖3 CAN數(shù)據(jù)幀ACK槽位信號交互示意圖Fig.3 CAN frame ACK slot signal interaction diagram

利用以上特性及處理機制,如圖4所示,向被測節(jié)點連續(xù)發(fā)送同一數(shù)據(jù)幀,并在此數(shù)據(jù)幀中注入錯誤信號,該錯誤信號物理波形在該比特時間的占空比每幀遞增0.1%,直至完全填充該位,并且在數(shù)據(jù)幀CRC校驗段保持不變的正確數(shù)據(jù)幀CRC校驗值。

圖4 比特時間占空比錯誤注入示意圖Fig.4 Schematic of bit time duty cycle error injection

連續(xù)發(fā)送比特時間占空比逐幀遞增的錯誤信號,在注入的錯誤信號未觸及被測端采樣點位置時,被測端依然采集到正確的信號電平并給予反饋信號,當(dāng)錯誤信號波形觸及采樣點位置時,被測端采樣點采集到錯誤電平并記錄錯誤的邏輯數(shù)據(jù)。錯誤數(shù)據(jù)處于CRC作用域中,計算得到的CRC校驗值將與數(shù)據(jù)幀內(nèi)正確的CRC校驗值不符,造成CRC校驗錯誤,從而導(dǎo)致ACK槽位無反饋消息發(fā)出。利用對ACK槽位電平狀態(tài)的判斷,可以確定被測端是否接收到正確數(shù)據(jù),并通過正確發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)量得到采樣點在比特時間中的位置占比。

1.4 測試點選取

由于CAN協(xié)議中每一數(shù)據(jù)幀起始(SOF)時,都將進行信號的“硬同步”,即所有CAN節(jié)點都將在此時統(tǒng)一各自的信號起始時基[15],在數(shù)據(jù)幀的隨后位中,每當(dāng)數(shù)據(jù)波形由邏輯“1”向邏輯“0”跳變,并且該跳變落在同步段之外,就會引起一次“重同步”[16]。如圖2所示,CAN節(jié)點會通過延長“TSEG1”或縮短“TESG2”使后續(xù)的位數(shù)據(jù)獲得同步[17-18],而相位緩沖段的改變,會使采樣點位也隨之改變。如果測試時選擇的數(shù)據(jù)位經(jīng)過“重同步”處理,測試結(jié)果將不是采樣點的實際設(shè)置值。因此通過向起始位(SOF)后一位注入錯誤幀的方式進行測試,可以有效避免CAN協(xié)議中“重同步”帶來的影響。

2 測量方法

2.1 依據(jù)及指標

CAN總線在航空領(lǐng)域遵循[12],其中明確指出采樣點位不應(yīng)小于比特時間的75%。汽車工業(yè)[13-14]也對采樣點位提出建議(建議其盡量接近比特時間的87.5%且不超過90%),并且相關(guān)標準注明“網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的采樣點位容差越小,網(wǎng)絡(luò)的最大可能長度越長,網(wǎng)絡(luò)傳輸越穩(wěn)定”[11-14]。相關(guān)規(guī)范中采樣點位范圍及建議值如表2所示。

表2 采樣點位范圍及建議值Tab.2 Sampling point range and recommended value

2.2 測試總體方案

研制的CAN總線載波偵聽采樣點位專用測試裝置(以下簡稱“裝置”)如圖5所示,其通過上位機進行CAN總線數(shù)據(jù)幀的設(shè)定,隨后發(fā)送至裝置,裝置內(nèi)FPGA生成正確的CAN協(xié)議信號波形,并在該正確波形的基礎(chǔ)上進行錯誤注入。而后通過CAN協(xié)議電平轉(zhuǎn)換模塊將TTL電平信號轉(zhuǎn)換為CAN協(xié)議差分信號輸出,并監(jiān)測發(fā)出信號ACK槽位的反饋信號,在測試結(jié)束后將結(jié)果返回至上位機顯示并記錄。

圖5 測試系統(tǒng)組成示意圖Fig.5 Schematic diagram of test system composition

CAN協(xié)議中規(guī)定,在總線網(wǎng)絡(luò)中,除發(fā)送節(jié)點外,任何節(jié)點在接收到正確數(shù)據(jù)幀時,都將向總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出反饋信號。利用這一特性,被測節(jié)點無需發(fā)送任何數(shù)據(jù),只需啟動后配置相應(yīng)的傳輸速率即可完成測試試驗。該方法可大幅度減少測試人員的工作量,提高測試的效率。

2.3 專用測試裝置設(shè)計

如圖6所示,專用測試裝置基于FPGA硬件進行設(shè)計研制,采用模塊化設(shè)計,由信號生成、信號采集、同步觸發(fā)、數(shù)據(jù)處理以及通訊接口等模塊組成。專用測試裝置的工作流程為:通過上位機設(shè)置CAN數(shù)據(jù)幀,并通過串行接口下發(fā)至FPGA;利用數(shù)據(jù)處理模塊將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為高速輸出端口數(shù)據(jù)隊列,并向隊列中的每個數(shù)據(jù)幀注入錯誤信號,信號生成模塊根據(jù)數(shù)據(jù)隊列內(nèi)容發(fā)送信號;同時由同步信號觸發(fā)采集模塊進行采集,根據(jù)數(shù)據(jù)幀ACK槽位采集到的反饋信號判斷是否發(fā)送成功,若成功則繼續(xù)提高注入錯誤的占空比并再次發(fā)送,若失敗則證明已測試到被測CAN設(shè)備采樣點;完成測試后上傳測試數(shù)據(jù)至上位機并結(jié)束測試。

圖6 FPGA模塊設(shè)計及流程圖Fig.6 FPGA module design and flow chart

由于在CAN數(shù)據(jù)總線傳輸速率為1 Mb/s時,比 特時間占空比分辨力達到0.1%,需要控制準確度優(yōu)于1 ns,因此需要選用IO控制頻率優(yōu)于1 GHz的主控器件。如圖7所示,裝置核心部件采用XILINX Spartan-6系列核心板及擴展板進行設(shè)計研制,使用高達1050 Mb/s輸出頻率的高速差分端口,可滿足控制準確度設(shè)計需求。使用擴展板進行外圍電路的設(shè)計研制,包括RS232電平轉(zhuǎn)換模塊、CAN協(xié)議電平轉(zhuǎn)換模塊以及電源模塊等。

圖7 裝置核心板及擴展板實物圖Fig.7 Core board and expansion board of the device

2.4 裝置驗證試驗

裝置的驗證試驗原理如圖8所示,其利用經(jīng)過校準的標準數(shù)字存儲示波器,通過標準表法對裝置進行驗證測試。

圖8 測試裝置驗證原理圖Fig.8 Test device validation schematic

驗證裝置的指標包括輸出控制分辨力及輸出脈寬準確度。對裝置分辨力的要求參考了規(guī)范中提出的建議值(即比特時間的87.5%)。因為建議值達到千分位,所以裝置控制分辨力應(yīng)達到0.1%。CAN總線最高傳輸速率為1 Mb/s時,比特時間為1μs,協(xié)議中規(guī)定每比特時間的最大Tq數(shù)量為25個,因此Tq時間最小為40 ns。因為采樣點位于某兩個Tq之間,要測量采樣點的位置,需要裝置輸出準確度相對于最小Tq時間滿足1/4量傳關(guān)系,所以要求裝置輸出準確度優(yōu)于±5 ns。

驗證環(huán)境及測試波形如圖9所示,測試裝置以最高傳輸速率(1 Mb/s)輸出特定數(shù)據(jù)幀,測試起始位(SOF)與錯誤注入波形間的脈沖寬度,通過計算得出錯誤注入波形在該位的占空比。

圖9 驗證環(huán)境與實測波形Fig.9 Verification environment and measured waveform

將裝置與被測設(shè)備設(shè)置為相同傳輸速率,將被測設(shè)備設(shè)置為接收狀態(tài)(不發(fā)送數(shù)據(jù)),并開始采樣點位測試,通過示波器測量裝置輸出信號脈寬,按式(1)進行占空比換算,得到測試結(jié)果如表3所示。

表3 驗證測試數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.3 Verification test data results

式中:Di為設(shè)置值i%時的占空比測量值;Ti(μs)為設(shè)置值i%時的脈寬測量值;T0(μs)為設(shè)置值0%時的脈寬測量值;T100(μs)為設(shè)置值100%時的脈寬測量值。

裝置輸出準確度要求優(yōu)于±5 ns,在傳輸速率為1 Mb/s時,可按占空比換算為±0.5%,測試結(jié)果表明,實際測試值的最大誤差為±0.02%,滿足輸出準確度要求。并且從前兩項數(shù)據(jù)可以看出,裝置滿足0.1%的控制分辨力要求,證明專用測試裝置的指標均滿足測試要求。

2.5 測試試驗

利用裝置對被測CAN節(jié)點設(shè)備在特征負載條件下進行采樣點位測試,網(wǎng)絡(luò)負載條件選取為典型狀態(tài)條件下的負載取值,開展包括網(wǎng)絡(luò)開路狀態(tài)、單節(jié)點負載(120Ω)與實際組網(wǎng)應(yīng)用中多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)負載(60Ω)條件下的測試試驗[4]。將裝置與被測設(shè)備設(shè)置為相同的傳輸速率,并開始采樣點位測試,測試原理如圖5所示,測試環(huán)境及錯誤注入信號如圖10所示,測試結(jié)果如表4所示。

表4 采樣點位測試結(jié)果Tab.4 Sampling point test results

圖10 實測環(huán)境及信號波形生成Fig.10 Measurement environment and signal waveform generation

測試結(jié)果顯示,被測設(shè)備采樣點位僅在傳輸速率為1000 kbps與800 kbps時滿足要求,其他測試結(jié)果不符合建議范圍要求。

2.6 負載條件

如圖11所示,利用示波器對不同網(wǎng)絡(luò)負載條件的數(shù)據(jù)波形進行分析,匹配負載較小時,數(shù)據(jù)波形傳輸抖動較大,會導(dǎo)致被測CAN設(shè)備在“硬同步”時出現(xiàn)隨機偏差,裝置與被測設(shè)備出現(xiàn)較大的時鐘同步誤差,因此在實際測試試驗中應(yīng)當(dāng)匹配的網(wǎng)絡(luò)負載為60Ω,這樣測試數(shù)據(jù)的可靠性較高。

圖11 信號波形邊沿余暉對比Fig.11 Comparision of signal waveform edge afterglow

3 結(jié)論

通過分析測試試驗的結(jié)果得出,并非所有CAN總線設(shè)備都是按照規(guī)范建議值設(shè)計研制的,當(dāng)應(yīng)用于可靠性需求較高的復(fù)雜系統(tǒng)組網(wǎng)時,較大差別的采樣點位必然會縮短網(wǎng)絡(luò)最大理論長度,從而降低整個系統(tǒng)的傳輸可靠性。隨著電子通訊技術(shù)的發(fā)展,通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度日益提高,傳輸可靠性應(yīng)從各層面不斷完善,而首先應(yīng)在底層建立良好的基礎(chǔ)。通過在系統(tǒng)組網(wǎng)前進行采樣點位測試,利用測試值調(diào)整和統(tǒng)一系統(tǒng)各節(jié)點的采樣點位,可以使總線物理鏈路層一致性得到充分保障,也可以使整個系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃愿弦粋€臺階。