CANFD通信信號(hào)質(zhì)量分析和測(cè)試方法的研究

劉士寶，何烈炎，孫小雨，黃光健

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

局域控制網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）由于其可靠性高、成本優(yōu)勢(shì)和實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)，應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如汽車行業(yè)、工業(yè)控制、航空航天和過程工業(yè)等，是低速控制領(lǐng)域常用的通信協(xié)議。而隨著近些年各行業(yè)的發(fā)展，尤其是汽車網(wǎng)聯(lián)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和電氣化的需求，越來越多的功能被應(yīng)用到汽車領(lǐng)域中，更多的數(shù)據(jù)要求在 CAN網(wǎng)絡(luò)中傳輸。由于經(jīng)典CAN總線的最高傳輸速率為1Mbit/s，通信數(shù)據(jù)大量增加使總線負(fù)載率急劇增大以致造成網(wǎng)絡(luò)擁堵，影響信息傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。為了解決傳統(tǒng) CAN面臨的問題，2011年由博世主導(dǎo)推出具有更高傳輸速率和更大數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度的可變數(shù)據(jù)速率局域控制網(wǎng)絡(luò)（CAN with Flexible Data-Rate，CANFD），CANFD的最高傳輸速率超過8Mbit/s，為新功能的拓展提供了基礎(chǔ)。

隨著傳輸速率的提高，CANFD的位長(zhǎng)更小，對(duì)于干擾的容錯(cuò)能力更低，對(duì)于信號(hào)質(zhì)量要求越高。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，復(fù)雜CANFD網(wǎng)絡(luò)中的通信如果不做相應(yīng)的研究、測(cè)試和調(diào)整，將難以保證通信的可靠性和魯棒性。

另外，在總線通訊中收發(fā)器自身的對(duì)稱性、總線拓?fù)渥陨淼奈锢韺傩?、溫度原因、微控制器與收發(fā)器之間的接口、線路反射等均會(huì)對(duì)物理層的非對(duì)稱性延遲產(chǎn)生影響。物理層的非對(duì)稱性延遲降低了通信信號(hào)質(zhì)量，在高通訊速率網(wǎng)絡(luò)中容易引起采樣錯(cuò)誤，導(dǎo)致通訊錯(cuò)誤。實(shí)際設(shè)計(jì)中影響物理層的非對(duì)稱性延遲的因素均難以達(dá)到理想要求。

基于上述原因，十分有必要對(duì)通信信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試，以進(jìn)一步指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)。為達(dá)到該目的，本文對(duì)CANFD通信中通信信號(hào)質(zhì)量的影響因素進(jìn)行了分析，量化了時(shí)鐘容差、收發(fā)器的非對(duì)稱性、印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）等因素對(duì)通信信號(hào)質(zhì)量的影響程度，提出通過振鈴穩(wěn)定點(diǎn)與采樣點(diǎn)的漂移范圍的關(guān)系對(duì)信號(hào)的可靠性進(jìn)行評(píng)估的測(cè)試方法。在此基礎(chǔ)上，按照此方法對(duì)實(shí)際的CANFD網(wǎng)絡(luò)中的通信進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果提出改善方案。

1 信號(hào)質(zhì)量的影響因素分析

對(duì)于CANFD網(wǎng)絡(luò)中，信號(hào)質(zhì)量的評(píng)估，關(guān)鍵點(diǎn)在于考慮各種因素的情況下，位的采樣點(diǎn)應(yīng)落在該位值的可識(shí)別范圍內(nèi)，如此可保證采樣的正確性。如下圖1展示了一個(gè)隱性位的采樣點(diǎn)的有效范圍。

圖1 采樣點(diǎn)有效范圍

由于CANFD收發(fā)器的物理特性，從隱形到顯性的沿收發(fā)器可有效控制，但是從顯性到隱形的沿收發(fā)器無法有效控制，會(huì)導(dǎo)致顯性位延遲，隱性位縮短，并且產(chǎn)生振鈴。同時(shí)由于 CAN協(xié)議的填充規(guī)則，可能出現(xiàn)的最長(zhǎng)的連續(xù)顯性位為5比特。綜上，跳變沿偏差最嚴(yán)重的情形是連續(xù)5個(gè)顯性位后的顯性到隱性的跳變沿。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的定義，CANFD差分波形中，顯性電壓的范圍為0.9 V～8.0 V，隱性電壓的范圍為-3.0 V～0.5 V[1]?？紤]振鈴影響，結(jié)合上文中的最差工況分析，如下圖，起始于連續(xù)5個(gè)顯性位的首位的隱性到顯性跳變沿與0.9 V電壓線的交點(diǎn)，結(jié)束于5個(gè)連續(xù)顯性位后的隱性位中振鈴波形與0.5 V線的最后一個(gè)交點(diǎn)的時(shí)間間隔稱為振鈴穩(wěn)定時(shí)間，振鈴波形與0.5 V線的最后一個(gè)交點(diǎn)稱為振鈴穩(wěn)定點(diǎn)，如圖2。采樣點(diǎn)必須在振鈴穩(wěn)定點(diǎn)之后才能保證采樣的正確。

評(píng)估采樣點(diǎn)是否合理，其關(guān)鍵在于保證振鈴穩(wěn)定點(diǎn)落在采樣點(diǎn)的波動(dòng)范圍之前。故本文的重點(diǎn)在于評(píng)估振鈴穩(wěn)定點(diǎn)與采樣點(diǎn)位置的相對(duì)位置關(guān)系。為方便表述，以下以采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)的波動(dòng)范圍描述兩者的偏差。

圖2 振鈴穩(wěn)定點(diǎn)與采樣點(diǎn)波動(dòng)范圍

在不考慮電磁干擾等突發(fā)因素的影響的情況下，采樣點(diǎn)的位置受時(shí)鐘容差、拓?fù)?、位定時(shí)參數(shù)、收發(fā)器類型、接口電路、線束性能和溫度等因素的影響，本文在位定時(shí)參數(shù)、傳輸速率、溫度和物理拓?fù)湎嚓P(guān)參數(shù)等已確定的工況下，討論振鈴穩(wěn)定點(diǎn)與采樣點(diǎn)位置波動(dòng)范圍的關(guān)系。由于報(bào)文自發(fā)自收和非自發(fā)自收時(shí)采樣點(diǎn)和時(shí)鐘偏差等因素，以下分自發(fā)自收和非自發(fā)自討論。

以標(biāo)稱數(shù)據(jù)波特率為2 Mbps，時(shí)鐘頻率為40 Mhz，標(biāo)稱采樣點(diǎn)位置為70%為例，標(biāo)稱第二采樣點(diǎn)為65%，計(jì)算采樣點(diǎn)位置波動(dòng)范圍。

1.1 時(shí)鐘容差影響

非自發(fā)自收時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[2]的要求，CANFD時(shí)鐘容差要求為±0.3%[2]。

當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘容差為-0.3%，接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘容差為+0.3%時(shí)，采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)有最大的向左偏移：

式中，SOSC.L為時(shí)鐘容差導(dǎo)致的采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)向左的偏移量，tbit為標(biāo)稱數(shù)據(jù)段位時(shí)間，dfMax為時(shí)鐘容差的最大值，為0.3%，SP為標(biāo)稱采樣點(diǎn)位置，70%。

當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘容差為+0.3%，接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘容差為-0.3%時(shí)，采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)有最大的向右偏移：

式中，SOSC.R為時(shí)鐘容差導(dǎo)致的采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)向右的偏移量，tbit為標(biāo)稱數(shù)據(jù)段位時(shí)間，dfMax為時(shí)鐘容差的最大值，0.3%，SP為標(biāo)稱采樣點(diǎn)位置，70%。

自發(fā)自收時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)是同一節(jié)點(diǎn)，所以不存在時(shí)鐘容差引起的采樣點(diǎn)位置偏差。

1.2 收發(fā)器影響

在發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)，由于收發(fā)器的非對(duì)稱性，將導(dǎo)致圖1中的5個(gè)連續(xù)顯性位后的下降沿的向左或向右的偏移，同樣會(huì)引起振鈴穩(wěn)定點(diǎn)的偏移。如圖3展示了收發(fā)器非對(duì)稱性引起的隱性位位長(zhǎng)變化。

圖3 收發(fā)器非對(duì)稱性影響

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，非自發(fā)自收時(shí)，收發(fā)器非對(duì)稱性引起的采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)向左最大偏移[1]：

式中，STran.L為非自收自發(fā)時(shí)收發(fā)器引起的采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)向左最大偏移。

采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)向右最大偏移：

式中，STran.R為非自收自發(fā)時(shí)收發(fā)器引起的采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)向右最大偏移。

自發(fā)自收時(shí)，收發(fā)器非對(duì)稱性引起的采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)向左最大偏移：

式中，S′Tran.L為自收自發(fā)時(shí)收發(fā)器引起的采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)向左最大偏移。

采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)向右最大偏移：

式中，S′Tran.R為自收自發(fā)時(shí)收發(fā)器引起的采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)向右最大偏移。

1.3 PCB影響

實(shí)際應(yīng)用中可能存在MCU和收發(fā)器之間應(yīng)用電氣隔離的方案，故需要考慮其對(duì)于 CAN邊沿偏移的影響。且自發(fā)自收和非自發(fā)自收時(shí)，該因素的影響是相同的。根據(jù)文獻(xiàn)[3]的要求，該參數(shù)可導(dǎo)致采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定時(shí)間向左偏移和向右偏移[3]：

式中，SPCB.L和SPCB.R分別為非自收自發(fā)時(shí)PCB導(dǎo)致的采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)的向左和向右的最大偏移，S′PCB.L和S′PCB.R分別為自收自發(fā)時(shí)PCB導(dǎo)致的采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)的向左和向右最大偏移，tPCB.Delay為控制器到收發(fā)器之間器件引起的非對(duì)稱延遲，為5 ns。

1.4 位分片的影響

非自發(fā)自收時(shí)，同步的特性使得接收節(jié)點(diǎn)最大可能相對(duì)發(fā)送節(jié)點(diǎn)偏移1個(gè)位分片時(shí)間，導(dǎo)致采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定時(shí)間向左偏移：

式中，STq.L為非自收自發(fā)時(shí)位分片導(dǎo)致的采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定時(shí)間向左最大偏移，ttq為位分片時(shí)間長(zhǎng)度。

采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)向右最大偏移：

式中，STq.R為非自收自發(fā)時(shí)位分片導(dǎo)致的采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定時(shí)間向右最大偏移。

自發(fā)自收時(shí)，不需要同步，故位分片對(duì)自發(fā)自收工況下的采樣點(diǎn)波動(dòng)范圍無影響。

綜上，非自發(fā)自收時(shí)，采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定時(shí)間的向左偏移：

式中，SL為非自收自發(fā)時(shí)位各種因素導(dǎo)致的采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定時(shí)間向左最大偏移。

采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定時(shí)間的向右有偏移：

式中，SR為非自收自發(fā)時(shí)位各種因素導(dǎo)致的采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定時(shí)間向右最大偏移。

所以采樣點(diǎn)落在自 5個(gè)連續(xù)顯性位起始后的 2668.88～2946.19 ns范圍內(nèi)。相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)的采樣點(diǎn)位置波動(dòng)范圍如下圖4。

圖4 節(jié)點(diǎn)不同收發(fā)時(shí)的采樣點(diǎn)波動(dòng)范圍

自發(fā)自收時(shí)，采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定時(shí)間的向左偏移：

式中，S′L為自收自發(fā)時(shí)各種因素導(dǎo)致的采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定時(shí)間向左最大偏移。

采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定時(shí)間的向右有偏移：

式中，S′R為自收自發(fā)時(shí)各種因素導(dǎo)致的采樣點(diǎn)相對(duì)振鈴穩(wěn)定時(shí)間向右最大偏移。

所以采樣點(diǎn)落在自5個(gè)連續(xù)顯性位起始后的2740～2910 ns范圍內(nèi)。相對(duì)振鈴穩(wěn)定點(diǎn)的采樣點(diǎn)位置波動(dòng)范圍如下圖5。

圖5 自發(fā)自收時(shí)采樣點(diǎn)波動(dòng)范圍

2 信號(hào)質(zhì)量測(cè)試方法

2.1 測(cè)試方法

根據(jù)上述的通信質(zhì)量影響因素分析，對(duì)如下表1中參數(shù)的拓?fù)溥M(jìn)行測(cè)試。

表1 拓?fù)鋮?shù)

在室溫下，該CANFD網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量評(píng)估的測(cè)試。該網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)6位于網(wǎng)絡(luò)的兩端，為終端節(jié)點(diǎn)，如下圖6。

圖6 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

上述網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)兩兩通信時(shí)，分別在接收節(jié)點(diǎn)的差分總線上測(cè)試振鈴穩(wěn)定時(shí)間，測(cè)量位置如圖6所示。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖7 測(cè)量位置

2.2 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)選取

因在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試中，振鈴穩(wěn)定時(shí)間的測(cè)試結(jié)果中也包含發(fā)送節(jié)點(diǎn)收發(fā)器的非對(duì)稱帶來的偏差，為避免重復(fù)計(jì)算該偏差，在選取評(píng)估振鈴穩(wěn)定時(shí)間通過標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償。

補(bǔ)償值的測(cè)試圖如圖8所示，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，且總線線束盡可能端。分別在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的差分總線上測(cè)量5個(gè)連續(xù)顯性位后的1個(gè)隱性位長(zhǎng)度。該隱性位位長(zhǎng)與標(biāo)稱位時(shí)間的偏差可視為發(fā)送節(jié)點(diǎn)收發(fā)器非對(duì)稱引起的偏差，即為補(bǔ)償值。測(cè)試拓?fù)鋮⒖紙D8。

根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，補(bǔ)償值為：

圖8 補(bǔ)償值測(cè)試拓?fù)?/p>

綜上，CANFD的通信信號(hào)質(zhì)量符合要求的條件如下：

式中，tSettle.Max為非自發(fā)自收時(shí)的振鈴穩(wěn)點(diǎn)時(shí)間的最大值，t’Settle.Max為自發(fā)自收時(shí)的振鈴穩(wěn)定時(shí)間的最大值，SPScd為標(biāo)稱第二采樣點(diǎn)位置。

補(bǔ)償值由SComp節(jié)點(diǎn)的收發(fā)器決定，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有不同型號(hào)的收發(fā)器時(shí)，裝配不同收發(fā)器節(jié)點(diǎn)的收發(fā)關(guān)系下有不同的補(bǔ)償值，需按照同樣的方法測(cè)試各收發(fā)關(guān)系的補(bǔ)充值，并將用于計(jì)算振鈴穩(wěn)定時(shí)間的最大值。這種情況下，存在多種不同的振鈴穩(wěn)點(diǎn)時(shí)間最大值。

對(duì)圖5中的CANFD網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下表2，深色底色部分為測(cè)試不通過項(xiàng)。

表2 CANFD網(wǎng)絡(luò)測(cè)試信號(hào)質(zhì)量測(cè)試結(jié)果

2.3 測(cè)試結(jié)果分析及改善方法

從上述測(cè)試結(jié)果中可得出，節(jié)點(diǎn)1自發(fā)自收、節(jié)點(diǎn)3發(fā)送節(jié)點(diǎn)1接收等6處測(cè)試不通過。通過結(jié)果可以得出，在其他條件不變的情況下，一個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)同一端的節(jié)點(diǎn)之間相互通信時(shí)，易出現(xiàn)振鈴穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)問題。所以在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)兩端的節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)更謹(jǐn)慎，留有更多的設(shè)計(jì)余量。

上述測(cè)試示例只在常溫下進(jìn)行，需在高低溫下工況進(jìn)行同樣的測(cè)試。同時(shí)，可結(jié)合長(zhǎng)時(shí)間的錯(cuò)誤率測(cè)試，充分驗(yàn)證全工況、長(zhǎng)時(shí)間下CANFD網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。

為使上述CANFD網(wǎng)絡(luò)中的通信質(zhì)量符合要求，需對(duì)網(wǎng)絡(luò)或節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)?？蓮膬煞矫嬷?。其一，改善拓?fù)湎嚓P(guān)的參數(shù)，如調(diào)整問題節(jié)點(diǎn)的分支線長(zhǎng)度，使從遠(yuǎn)端反射的振鈴相互抵消，從而減少振鈴穩(wěn)定時(shí)間；或者選擇更好線束，如非PVC絕緣層材質(zhì)的線束，可提高全溫度范圍內(nèi)的特性阻抗的穩(wěn)定性；或者調(diào)整節(jié)點(diǎn)在拓?fù)渲械奈恢?，使性能更差的?jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)的中端，減少振鈴穩(wěn)定時(shí)間。其二，改善采樣點(diǎn)波動(dòng)范圍相關(guān)的參數(shù)，如采用更高速率或支持振鈴抑制的收發(fā)器，如支持5 Mbit/s傳輸速率的收發(fā)器，其具有更好的非對(duì)稱性能是可接受的振鈴穩(wěn)定時(shí)間增加40 ns；或者取消電偶隔離、使用更高精度或更高頻率的時(shí)鐘等，使采樣點(diǎn)波動(dòng)范圍更窄，以允許更長(zhǎng)的振鈴穩(wěn)定時(shí)間。

3 結(jié)論

本文對(duì) CANFD通信信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行影響分析和量化評(píng)估，確定信號(hào)質(zhì)量的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，建立相應(yīng)的測(cè)試方法，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果提出改善方案。該方法可對(duì)任何類型的 CANFD網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試，有效驗(yàn)證CANFD網(wǎng)絡(luò)的可靠性和魯棒性。