汽車(chē)CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)測(cè)試研究及分析

1 CAN總線物理層
CAN總線物理層是基于IS011898-2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)CAN總線的底層協(xié)議進(jìn)行定義，根據(jù)CAN總線物理層的規(guī)定，設(shè)計(jì)CAN總線的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

在CAN總線節(jié)點(diǎn)中，CAN收發(fā)器應(yīng)該符合IS011898-2標(biāo)準(zhǔn)，總線通信的最高速率為1 Mbps，能夠抗環(huán)境瞬間干擾，具有保護(hù)總線的能力，并且能對(duì)CAN總線信號(hào)的斜率進(jìn)行修正和控制，降低射頻干擾RFI，內(nèi)部具有熱保護(hù)以及電源和搭鐵短路保護(hù)電路，低電流狀態(tài)下進(jìn)入待機(jī)模式，未上電的節(jié)點(diǎn)對(duì)總線不會(huì)造成影響。CAN收發(fā)器工作原理如圖2所示。

對(duì)被測(cè)單元或者網(wǎng)絡(luò)配接測(cè)試設(shè)備，建立測(cè)試系統(tǒng)和操作界面，對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試和分析。如圖3所示。

1.1 CAN總線物理電平測(cè)試
CAN總線信號(hào)是以物理電平為載體傳輸?shù)模盘?hào)使用差分電壓傳送，兩條信號(hào)線被稱(chēng)為CAN一和CAN -L，物理電平直接決定了CAN總線信號(hào)能否正常傳輸，如表1、圖4所示。



CAN總線物理電平通過(guò)物理值和邏輯值兩種方式體現(xiàn)，通過(guò)使用CANscope對(duì)CAN總線的物理波形進(jìn)行采集和分析，將設(shè)備接入到CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，將總線報(bào)文進(jìn)行篩選和評(píng)估。表2為高速CAN總線顯性和隱性電壓測(cè)試評(píng)估的指標(biāo)。表3為低速CAN總線顯性和隱性電壓測(cè)試評(píng)估的指標(biāo)。



1.2 CAN總線電平沿信號(hào)測(cè)試
CAN總線物理電平的信號(hào)沿斜率確保CAN物理層在電壓載體上的正常傳輸，雖然一般收發(fā)器都具有斜率修正和控制功能，但對(duì)于信號(hào)沿的測(cè)量仍然需要精確要求。信號(hào)沿太陡會(huì)使電平信號(hào)變化的時(shí)間太短，會(huì)引起電壓沖擊，導(dǎo)致EMC問(wèn)題；信號(hào)沿太緩會(huì)使信號(hào)變化辨識(shí)度下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤幀，導(dǎo)致CAN總線通信問(wèn)題，如圖5所示，測(cè)量CAN總線信號(hào)沿波形，上升沿的上升時(shí)間為160 ns，下降沿的下降時(shí)間是240 ns。

1.3 CAN總線終端電阻測(cè)試
終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號(hào)反射，在通信過(guò)程中，有兩種原因?qū)е滦盘?hào)反射：阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。阻抗不連續(xù)，信號(hào)在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒(méi)有，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號(hào)在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通信電纜的另一端可跨接一個(gè)同樣大小的終端電阻。引起信號(hào)反射的另外一個(gè)原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現(xiàn)在通信線路處在空閑方式時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混亂。為了提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)?/strong>能力，CAN總線兩端需要接有120Ω的抑制反射的終端電阻，它對(duì)匹配總線阻抗起著非常重要的作用，如果忽略此電阻，會(huì)使數(shù)字通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無(wú)法通信，對(duì)于終端電阻的測(cè)量，需要在CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)ECU以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行。如圖6所示。

為了對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試，對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障注入和故障干擾，模擬CAN總線網(wǎng)絡(luò)中所能夠出現(xiàn)的故障狀態(tài)，具體故障狀態(tài)如圖7所示。

在搭建的測(cè)試系統(tǒng)中，上述的故障注入主要是用于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的故障模擬，最大程度地模擬真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)故障。導(dǎo)致實(shí)際故障的原因可能有很多，需要通過(guò)模擬故障并進(jìn)行測(cè)試和分析，積累故障現(xiàn)象和表現(xiàn)狀態(tài)。在CAN總線物理層的測(cè)試過(guò)程時(shí)，如圖8所示，現(xiàn)象為電壓幅值過(guò)小，CAN總線上的波形故障狀態(tài)與正常狀態(tài)的對(duì)比，可以清晰地看出在CAN總線物理層的總線電平和信號(hào)沿體現(xiàn)的特性，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的因素可能是終端電阻的阻值偏小，不能匹配網(wǎng)絡(luò)，或者是節(jié)點(diǎn)過(guò)多導(dǎo)致。造成上升、下降沿過(guò)慢現(xiàn)象的主要因素是CAN總線通信距離過(guò)長(zhǎng)或者終端電阻阻值匹配過(guò)大造成。這些測(cè)試出來(lái)的故障應(yīng)該盡可能地在汽車(chē)研發(fā)的測(cè)試階段解決，如果一旦在汽車(chē)生產(chǎn)線上出現(xiàn)或者在售后出現(xiàn)，對(duì)于這類(lèi)故障是很不好解決的，并且這些測(cè)試也應(yīng)該在研發(fā)階段對(duì)汽車(chē)CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)ECU進(jìn)行，對(duì)ECU在CAN總線通信的軟件、硬件進(jìn)行評(píng)估。

如圖9所示，現(xiàn)象為CAN總線上出現(xiàn)正向反射和負(fù)向反射與正常狀態(tài)的波形對(duì)比，可以從波形上看出在CAN總線物理層的總線電平和信號(hào)沿方面的不同，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是終端電阻不匹配或者不連續(xù)，信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中遇到電阻阻值過(guò)小，在這些地方形成了正向和負(fù)向反射。


CAN總線技術(shù)有助于解決現(xiàn)代汽車(chē)中龐大的電子控制裝置之間的通信，不僅減少網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的數(shù)量和導(dǎo)線的用量，降低汽車(chē)總質(zhì)量，汽車(chē)的裝配工序也更為簡(jiǎn)化，而且增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)目煽啃浴＞W(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引入也給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在通信安全穩(wěn)定方面帶來(lái)了一些問(wèn)題。比如，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)突然掉線，其他需要與之通信的節(jié)點(diǎn)并未預(yù)知這種情況，它們會(huì)毫無(wú)意義地等待掉線節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答或數(shù)據(jù)傳輸，造成資源浪費(fèi)，甚至有可能產(chǎn)生其他嚴(yán)重問(wèn)題，而且，節(jié)點(diǎn)本身也要有監(jiān)測(cè)本身是否在線的能力。為了在任何2個(gè)CAN儀器之間建立兼容性，并能在通信過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和解析，CAN總線被細(xì)分為以下不同的層次：物理層（Physical Layer）、數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）、交互層（Interaction Layer）。根據(jù)在不同層次下的特性，對(duì)汽車(chē)CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試研究及分析。

1 CAN總線物理層
CAN總線物理層是基于IS011898-2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)CAN總線的底層協(xié)議進(jìn)行定義，根據(jù)CAN總線物理層的規(guī)定，設(shè)計(jì)CAN總線的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

在CAN總線節(jié)點(diǎn)中，CAN收發(fā)器應(yīng)該符合IS011898-2標(biāo)準(zhǔn)，總線通信的最高速率為1 Mbps，能夠抗環(huán)境瞬間干擾，具有保護(hù)總線的能力，并且能對(duì)CAN總線信號(hào)的斜率進(jìn)行修正和控制，降低射頻干擾RFI，內(nèi)部具有熱保護(hù)以及電源和搭鐵短路保護(hù)電路，低電流狀態(tài)下進(jìn)入待機(jī)模式，未上電的節(jié)點(diǎn)對(duì)總線不會(huì)造成影響。CAN收發(fā)器工作原理如圖2所示。

對(duì)被測(cè)單元或者網(wǎng)絡(luò)配接測(cè)試設(shè)備，建立測(cè)試系統(tǒng)和操作界面，對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試和分析。如圖3所示。

1.1 CAN總線物理電平測(cè)試
CAN總線信號(hào)是以物理電平為載體傳輸?shù)模盘?hào)使用差分電壓傳送，兩條信號(hào)線被稱(chēng)為CAN一和CAN -L，物理電平直接決定了CAN總線信號(hào)能否正常傳輸，如表1、圖4所示。



CAN總線物理電平通過(guò)物理值和邏輯值兩種方式體現(xiàn)，通過(guò)使用CANscope對(duì)CAN總線的物理波形進(jìn)行采集和分析，將設(shè)備接入到CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，將總線報(bào)文進(jìn)行篩選和評(píng)估。表2為高速CAN總線顯性和隱性電壓測(cè)試評(píng)估的指標(biāo)。表3為低速CAN總線顯性和隱性電壓測(cè)試評(píng)估的指標(biāo)。



1.2 CAN總線電平沿信號(hào)測(cè)試
CAN總線物理電平的信號(hào)沿斜率確保CAN物理層在電壓載體上的正常傳輸，雖然一般收發(fā)器都具有斜率修正和控制功能，但對(duì)于信號(hào)沿的測(cè)量仍然需要精確要求。信號(hào)沿太陡會(huì)使電平信號(hào)變化的時(shí)間太短，會(huì)引起電壓沖擊，導(dǎo)致EMC問(wèn)題；信號(hào)沿太緩會(huì)使信號(hào)變化辨識(shí)度下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤幀，導(dǎo)致CAN總線通信問(wèn)題，如圖5所示，測(cè)量CAN總線信號(hào)沿波形，上升沿的上升時(shí)間為160 ns，下降沿的下降時(shí)間是240 ns。

1.3 CAN總線終端電阻測(cè)試
終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號(hào)反射，在通信過(guò)程中，有兩種原因?qū)е滦盘?hào)反射：阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。阻抗不連續(xù)，信號(hào)在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒(méi)有，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號(hào)在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通信電纜的另一端可跨接一個(gè)同樣大小的終端電阻。引起信號(hào)反射的另外一個(gè)原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現(xiàn)在通信線路處在空閑方式時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混亂。為了提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)淠芰Γ珻AN總線兩端需要接有120Ω的抑制反射的終端電阻，它對(duì)匹配總線阻抗起著非常重要的作用，如果忽略此電阻，會(huì)使數(shù)字通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無(wú)法通信，對(duì)于終端電阻的測(cè)量，需要在CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)ECU以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行。如圖6所示。

為了對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試，對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障注入和故障干擾，模擬CAN總線網(wǎng)絡(luò)中所能夠出現(xiàn)的故障狀態(tài)，具體故障狀態(tài)如圖7所示。

在搭建的測(cè)試系統(tǒng)中，上述的故障注入主要是用于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的故障模擬，最大程度地模擬真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)故障。導(dǎo)致實(shí)際故障的原因可能有很多，需要通過(guò)模擬故障并進(jìn)行測(cè)試和分析，積累故障現(xiàn)象和表現(xiàn)狀態(tài)。在CAN總線物理層的測(cè)試過(guò)程時(shí)，如圖8所示，現(xiàn)象為電壓幅值過(guò)小，CAN總線上的波形故障狀態(tài)與正常狀態(tài)的對(duì)比，可以清晰地看出在CAN總線物理層的總線電平和信號(hào)沿體現(xiàn)的特性，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的因素可能是終端電阻的阻值偏小，不能匹配網(wǎng)絡(luò)，或者是節(jié)點(diǎn)過(guò)多導(dǎo)致。造成上升、下降沿過(guò)慢現(xiàn)象的主要因素是CAN總線通信距離過(guò)長(zhǎng)或者終端電阻阻值匹配過(guò)大造成。這些測(cè)試出來(lái)的故障應(yīng)該盡可能地在汽車(chē)研發(fā)的測(cè)試階段解決，如果一旦在汽車(chē)生產(chǎn)線上出現(xiàn)或者在售后出現(xiàn)，對(duì)于這類(lèi)故障是很不好解決的，并且這些測(cè)試也應(yīng)該在研發(fā)階段對(duì)汽車(chē)CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)ECU進(jìn)行，對(duì)ECU在CAN總線通信的軟件、硬件進(jìn)行評(píng)估。

如圖9所示，現(xiàn)象為CAN總線上出現(xiàn)正向反射和負(fù)向反射與正常狀態(tài)的波形對(duì)比，可以從波形上看出在CAN總線物理層的總線電平和信號(hào)沿方面的不同，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是終端電阻不匹配或者不連續(xù)，信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中遇到電阻阻值過(guò)小，在這些地方形成了正向和負(fù)向反射。


3 結(jié)論