CAN總線一致性測試方法

熊天善，劉芳解，覃竣

（柳州五菱新能源汽車有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

CAN的英文全稱是：Controller AreaNetwork，意思是區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制器，最早是用于智能化住宅小區(qū)的信息傳輸，總線則源自計算機，因為其功能和計算機中的“BUS”類似。CAN總線一致性測試，即要求整車CAN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點都滿足CAN總線節(jié)點規(guī)范要求，縮小CAN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點差異，保證CAN網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境穩(wěn)定，有效提高CAN網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。以往的傳統(tǒng)車CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點較少，如儀表、發(fā)動機ECU、ABS等幾個重要節(jié)點，但隨著新能源汽車行業(yè)發(fā)展，整車CAN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點演變得極為復(fù)雜，現(xiàn)在新能源汽車內(nèi)部CAN節(jié)點已經(jīng)高達60個，細(xì)分為多個CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如車身部含有空調(diào)、車門、導(dǎo)航、倒車?yán)走_、行車?yán)走_、車燈等節(jié)點，安全系統(tǒng)又含有氣囊、防抱死系統(tǒng)、制動、引爆管等節(jié)點。復(fù)雜的CAN網(wǎng)絡(luò)，各個節(jié)點質(zhì)量良莠不齊將會對CAN總線網(wǎng)絡(luò)存在較大的安全隱患，通常會因為其中某一個節(jié)點的錯誤進而影響整體總線正常運行，導(dǎo)致整體總線的癱瘓，嚴(yán)重時可發(fā)生交通事故。因此，CAN節(jié)點一致性測試就顯得尤為重要。本研究主要是CAN總線一致性測試方法及判定標(biāo)準(zhǔn)，保證CAN總線上各個節(jié)點穩(wěn)定、可靠、安全運行[1-2]。

1 CAN總線一致性測試內(nèi)容、測試工具

CAN總線一致性測試可以分為單節(jié)點測試和系統(tǒng)集成測試兩部分。在系統(tǒng)集成之前，首先對每個節(jié)點進行單個節(jié)點測試，用以確定每個節(jié)點工作正確并且不會干擾總線的正常通訊?？偩€系統(tǒng)集成測試則是將各個節(jié)點都連接形成完整的CAN網(wǎng)絡(luò)，對集成后的系統(tǒng)進行測試以驗證整個系統(tǒng)運行的完整性和正確性、系統(tǒng)的通訊魯棒性、電器魯棒性以及系統(tǒng)的容錯自恢復(fù)功能等。

CAN總線一致性測試內(nèi)容主要包括輸入電壓閥值、總線電壓、總線阻抗、上升時間、下降時間、容錯性、采樣點、對稱性、報文數(shù)據(jù)類型、報文ID、報文DLC、位填充、信號缺省、周期容差和負(fù)載率等測試。對幾個較重要的測試項進行講解，如輸入電壓閥值、總線電壓、總線阻抗、上升下降時間、容錯性、采樣點。

CAN一致性測試工具包含CAN卡、CAN干擾儀、示波器、萬用表、電源等設(shè)備。

2 輸入電壓閥值測試

2.1 測試目的

在物理層中，CAN總線設(shè)計規(guī)范對于CAN節(jié)點的輸入電壓閾值有著嚴(yán)格的規(guī)定，如果節(jié)點的輸入電壓閾值不符合規(guī)范，則在現(xiàn)場組網(wǎng)后容易出現(xiàn)不正常的工作狀態(tài)，各節(jié)點間出現(xiàn)通信故障，所以輸入電壓閾值測試是CAN物理層一致性測試中的重要部分。閾值測試分為隱性輸入電壓閾值和顯性輸入電壓閾值，節(jié)點差分電壓Vdiff大于0.9 V時必須識別為顯性，小于0.5 V時必須識別為隱性，在0.5～0.9 V之間，屬于不確定區(qū)域。因此測試目的是為了驗證節(jié)點在ISO11898中標(biāo)示的輸入電壓閾值范圍內(nèi)均可以正常通訊。

2.2 輸入電壓閥值要求

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO11898，輸入電壓閥值要求見表1[3-5]。

表1 輸入電壓閥值

2.3 輸入電壓閥值測試方法

輸入電壓閥值測試方法分為隱性輸入電壓閥值測試方法和顯性電壓閥值測試方法。

2.3.1 隱性輸入電壓閥值測試方法

按照圖1隱性輸入電壓閥值測試接線圖連接測試電路，使用示波器CANScope來監(jiān)測CAN總線報文幀，測試時被測樣件DUT處于發(fā)送報文狀態(tài)。調(diào)節(jié)電壓源U，使監(jiān)控示波器上CANH空閑時刻的電壓分別為-2 V及6.5 V，通過調(diào)節(jié)電流源I使得差分電壓Vdiff達到0.5 V的上限值。重復(fù)上述步驟連續(xù)測試10次，記錄每次測試結(jié)果，取其平均值保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 隱性輸入電壓閥值測試接線圖

2.3.2 隱性輸入電壓閥值判定

在差分電壓Vdiff≤0.5 V時，如果DUT可以正常發(fā)送報文，則隱性輸入電壓閥值測試通過。

2.3.3 顯性輸入電壓閥值測試方法

按照圖2顯性輸入電壓閥值測試接線圖連接測試電路，使用示波器CANScope來監(jiān)測CAN總線報文幀，測試時DUT處于發(fā)送報文狀態(tài)。調(diào)節(jié)電壓源U，使監(jiān)控示波器上CANL空閑時刻的電壓分別為-2 V及6.5 V，通過調(diào)節(jié)電流源I使得差分電壓Vdiff以步長為0.1 V的速度，依次從隱性輸入電壓上限值0.5 V調(diào)整至顯性輸入電壓下限值0.9 V。重復(fù)上述步驟連續(xù)測試10次，記錄每次測試結(jié)果，取其平均值保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 隱性輸入電壓閥值測試接線圖

2.3.4 隱性輸入電壓閥值判定

當(dāng)顯性輸入電壓限值為0.5 V時，DUT應(yīng)能正常發(fā)送CAN報文；在顯性輸入電壓限值達到0.9 V時，DUT停止CAN報文的發(fā)送，則顯性輸入電壓閥值測試通過。

3 CAN總線電壓測試

3.1 CAN總線電壓測試目的

CAN總線電壓用于檢查DUT的CAN_H與CAN_L的隱性輸出電壓和顯性輸出電壓是否滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO11898中CAN總線物理層的要求。

3.2 CAN總線電壓要求

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO11898，CAN總線電壓要求見表2[3-5]。

表2 CAN總線電壓

3.3 CAN總線電壓測試方法

CAN總線電壓測試方法分為隱性電壓測試方法和顯性電壓測試方法。

3.3.1 CAN總線隱性電壓測試方法

按照圖3隱性輸出電壓測試接線圖連接測試電路，DUT正常工作狀態(tài)且處于隱性輸出狀態(tài)，接入終端負(fù)載60 Ω（如DUT內(nèi)有終端電阻120 Ω，則外接120 Ω終端電阻），用示波器CANScope測試CAN_H的平均電壓、CAN_L的平均電壓。

圖3 隱性輸出電壓測試接線圖

計算差分電壓Vdiff=VCAN_H-VCAN_L和共模電壓Vcm=0.5*（VCAN_H+VCAN_L），并與測試要求進行比較。

3.3.2 隱性輸出電壓判定

CAN_H的平均電壓、CAN_L的平均電壓、CAN_H與CAN_L之間的差分電壓和CAN_H與CAN_L之間共模電壓應(yīng)滿足表2的最大最小值要求。

3.3.3 CAN總線顯性電壓測試方法

按照圖4隱性輸出電壓測試接線圖連接測試電路，DUT正常工作狀態(tài)且處于顯性輸出狀態(tài)，接入終端負(fù)載60 Ω（如DUT內(nèi)有終端電阻120 Ω，則外接120 Ω終端電阻），用示波器CANScope測試CAN_H的平均電壓、CAN_L的平均電壓。

圖4 顯性輸出電壓測試接線圖

計算差分電壓Vdiff=VCAN_H-VCAN_L和共模電壓Vcm=0.5×（VCAN_H+VCAN_L），并與測試要求進行比較。

3.3.4 顯性輸出電壓判定

CAN_H的平均電壓、CAN_L的平均電壓、CAN_H與CAN_L之間的差分電壓和CAN_H與CAN_L之間共模電壓滿足表2的最大最小值要求。

4 阻抗測試

4.1 阻抗測試目的

阻抗測試用于模擬當(dāng)電源斷開（如保險絲熔斷）時，CAN_H和CAN_L的各自內(nèi)阻及CAN_H、CAN_L之間的差分電阻是否滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO11898中CAN總線物理層的要求。

4.2 阻抗測試要求

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO11898，CAN總線對地電阻和差分電阻要求見表3[3-5]。

表3 CAN總線對地電阻和差分電阻

4.3 阻抗測試方法

CAN總線阻抗測試，需人為模擬電源正常連接或斷開、地線正常連接或斷開、DUT有或無終端電阻測試條件。

4.3.1 阻抗測試方法——電源正常連接

按照圖5阻抗測試接線圖連接測試電路，測試電阻Rtest為5 kΩ。測試時，DUT正常工作且處于隱性輸出狀態(tài)，調(diào)節(jié)電壓源U=-2 V和7 V，用萬用表分別測試CANH和CANL的對地電壓V，代入以下計算公式，計算電源和地線斷正常連接時CANH和CANL的阻抗，其中VCAN_H和VCAN_L為隱性輸出電壓。

圖5 阻抗測試接線圖

4.3.2 阻抗測試方法——電源或地線斷開

按照圖5阻抗測試接線圖連接測試電路，斷開電源或地線，參照4.3.1的方法測試CANH和CANL的對地電壓V，代入以下計算公式，計算電源或地線斷開時CANH和CANL的阻抗。

4.3.3 阻抗測試方法——差分電阻

按照圖6差分電阻測試接線圖連接測試電路，測試時，調(diào)節(jié)電壓源U=5 V，用萬用表測試CANH和CANL之間的電壓V，代入以下計算公式，計算CANH和CANL的差分阻抗，其中Vdiff為隱性差分電壓。

圖6 差分電阻測試接線圖

4.3.4 阻抗判定

CANH、CANL對地電阻和CANH、CANL之間的差分電阻滿足表3的最大、最小值要求。

5 邊沿測試

5.1 測試目的

由于CAN總線較長，導(dǎo)致總線上導(dǎo)線電容增加，從而增加線路阻抗。邊沿測試用于模擬導(dǎo)線在最大最小容抗下，測試DUT發(fā)送的CAN總線信號的隱性轉(zhuǎn)顯性和顯性轉(zhuǎn)隱性的轉(zhuǎn)換時間，檢查位上升/下降時間（即：位斜率）是否滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO11898中CAN總線物理層規(guī)范中的要求。邊沿測試分為上升時間測試、下降時間測試，上升/下降時間定義如圖7所示。

圖7 上升/下降時間定義

5.2 邊沿測試要求

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO11898，CAN總線邊沿測試要求見表4[3-5]。

表4 CAN總線上升下降時間

5.3 邊沿測試方法

用示波器采集CAN總線波形，設(shè)置幅值光標(biāo)為20%～80%，記錄上升沿時間和下降沿時間。測試并記錄多次數(shù)據(jù)，確認(rèn)每次求得上升沿、下降沿時間都滿足表4的要求。

5.4 邊沿測試結(jié)果判定

CAN_H、CAN_L上升時間和下降時間應(yīng)滿足表4的最大、最小值要求。

6 容錯性測試

6.1 測試目的

容錯性測試用于模擬電源斷路，CANH或CANL斷路、短接電源或地，及地線偏移等情況下DUT的CAN總線通信狀態(tài)，并檢查故障修復(fù)后DUT恢復(fù)CAN總線通信的行為。

6.2 容錯性測試要求[3-5]

地偏移：在地偏移電壓從0 V變化至±2 V過程中,不允許DUT出現(xiàn)CAN總線通信故障（如：發(fā)送錯誤幀等）。

掉電、掉地：掉電或掉地后，DUT停止CAN總線報文的發(fā)送和接收，不能造成DUT任何形式的損壞，掉電修復(fù)后DUT恢復(fù)正常通信。

CANH或CANL對電源短路、對地短路：CANH或CANL對電源短路、對地短路后，DUT停止CAN總線報文的發(fā)送和接收，不能造成DUT任何形式的損壞，掉電修復(fù)后DUT恢復(fù)正常通信。

6.3 容錯性測試方法

CAN總線容錯性測試方法分為地偏移、掉電、掉地、對電源短路和對地短路。

6.3.1 地偏移測試方法

按照圖8地偏移測試接線圖連接測試電路，調(diào)節(jié)電源S2電壓為0～±2 V，用示波器觀察DUT是否正常發(fā)送接收CAN總線報文。

圖8 地偏移測試接線圖

6.3.2 掉電、掉地測試方法

按照圖9掉電、掉地測試接線圖連接測試電路，使DUT單獨丟失電源，用示波器CANScope測試DUT是否正常發(fā)送接收CAN總線報文，電源恢復(fù)后DUT是否能恢復(fù)通訊。

按照圖9掉電、掉地測試接線圖連接測試電路，使DUT單獨斷開地線，用示波器CANScope測試DUT是否正常發(fā)送接收CAN總線報文，地線恢復(fù)后DUT是否能恢復(fù)通訊。

圖9 掉電、掉地測試接線圖

6.3.3 CANH或CANL對電源短路

按照圖9掉電、掉地測試接線圖連接測試電路，使CAN_H單獨對電源短路1 min，用示波器CANScope測試DUT是否正常發(fā)送接收CAN總線報文，故障恢復(fù)后DUT是否能恢復(fù)通訊。

按照圖9掉電、掉地測試接線圖連接測試電路，使CAN_L單獨對電源短路1 min，用示波器CANScope測試DUT是否正常發(fā)送接收CAN總線報文，故障恢復(fù)后DUT是否能恢復(fù)通訊。

按照圖9掉電、掉地測試接線圖連接測試電路，使CAN_H和CAN_L同時對電源短路1分鐘，用示波器CANScope測試DUT是否正常發(fā)送接收CAN總線報文，故障恢復(fù)后DUT是否能恢復(fù)通訊。

6.3.4 CANH或CANL對地短路

按照圖9掉電、掉地測試接線圖連接測試電路，使CAN_H單獨對地短路1 min，用示波器CANScope測試DUT是否正常發(fā)送接收CAN總線報文，故障恢復(fù)后DUT是否能恢復(fù)通訊。

按照圖9掉電、掉地測試接線圖連接測試電路，使CAN_L單獨對地短路1 min，用示波器CANScope測試DUT是否正常發(fā)送接收CAN總線報文，故障恢復(fù)后DUT是否能恢復(fù)通訊。

按照圖9掉電、掉地測試接線圖連接測試電路，使CAN_H和CAN_L同時對地短路1 min，用示波器CANScope測試DUT是否正常發(fā)送接收CAN總線報文，故障恢復(fù)后DUT是否能恢復(fù)通訊。

6.3.5 CANH或CANL斷開

按照圖9掉電、掉地測試接線圖連接測試電路，使CAN_H單獨斷開1 min，用示波器CANScope測試DUT是否正常發(fā)送接收CAN總線報文，故障恢復(fù)后DUT是否能恢復(fù)通訊。

按照圖9掉電、掉地測試接線圖連接測試電路，使CAN_L單獨斷開1 min，用示波器CANScope測試DUT是否正常發(fā)送接收CAN總線報文，故障恢復(fù)后DUT是否能恢復(fù)通訊。

按照圖9掉電、掉地測試接線圖連接測試電路，使CAN_H和CAN_L同時斷開1 min，用示波器CANScope測試DUT是否正常發(fā)送接收CAN總線報文，故障恢復(fù)后DUT是否能恢復(fù)通訊。

6.3.6 CANH和CANL短路

按照圖9掉電、掉地測試接線圖連接測試電路，使CAN_H和CAN_L短路1 min，用示波器CANScope測試DUT是否正常發(fā)送接收CAN總線報文，故障恢復(fù)后DUT是否能恢復(fù)通訊。

7 采樣點測試

7.1 測試目的

采樣點是接收節(jié)點判斷信號邏輯的位置，CAN通訊屬于異步通訊，需要通過不斷的重同步才能保證接收節(jié)點的采樣準(zhǔn)確；若采樣點太靠前或太靠后，則因為線纜容抗原因，容易發(fā)生采樣錯誤，所以對CAN節(jié)點進行采樣點的測試十分重要。采樣點測試用于檢查DUT的采樣點是否滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO11898-2中CAN總線物理層規(guī)范的要求。

7.2 采樣點測試要求

DUT發(fā)送的CAN報文信號的采樣點應(yīng)處于標(biāo)準(zhǔn)ISO11898-2定義的范圍：75%≤SP≤87.5%。

7.3 采樣點測試方法

按照圖10采樣點測試接線圖連接測試電路，DUT正常工作后啟動CAN總線干擾儀VH6501報文干擾功能，從位時間的45%位置，每次干擾遞增1%，直至100%，通過CAN卡統(tǒng)計記錄錯誤報文，出現(xiàn)錯誤報文的干擾點則即為采樣點。

圖10 采樣點測試接線圖

8 結(jié)語

隨著CAN總線在國內(nèi)應(yīng)用的日益廣泛，CAN總線測試技術(shù)將越發(fā)重要。CAN總線的一致性有效保證CAN網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境穩(wěn)定，提高CAN網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。CAN總線一致性測試是CAN總線測試的核心，需要根據(jù)相關(guān)的CAN協(xié)議和實際CAN總線設(shè)計需求制定測試內(nèi)容和測試方法。除以上提及的測試內(nèi)容外，CAN總線一致性測試還應(yīng)包括對稱性、報文數(shù)據(jù)類型、報文ID、報文DLC、位填充、信號缺省、周期容差和負(fù)載率等測試。因此在工作中，應(yīng)善于總結(jié)CAN總線開發(fā)測試經(jīng)驗，吸取國內(nèi)外CAN總線開發(fā)測試方法，有利于快速提高和完善CAN總線測試。