汽車(chē)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結構測試研究及分析

1 CAN總線(xiàn)物理層
CAN總線(xiàn)物理層是基于IS011898-2國際標準要求，對CAN總線(xiàn)的底層協(xié)議進(jìn)行定義，根據CAN總線(xiàn)物理層的規定，設計CAN總線(xiàn)的節點(diǎn)結構，如圖1所示。

在CAN總線(xiàn)節點(diǎn)中，CAN收發(fā)器應該符合IS011898-2標準，總線(xiàn)通信的最高速率為1 Mbps，能夠抗環(huán)境瞬間干擾，具有保護總線(xiàn)的能力，并且能對CAN總線(xiàn)信號的斜率進(jìn)行修正和控制，降低射頻干擾RFI，內部具有熱保護以及電源和搭鐵短路保護電路，低電流狀態(tài)下進(jìn)入待機模式，未上電的節點(diǎn)對總線(xiàn)不會(huì )造成影響。CAN收發(fā)器工作原理如圖2所示。

對被測單元或者網(wǎng)絡(luò )配接測試設備，建立測試系統和操作界面，對整體網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行測試和分析。如圖3所示。

1.1 CAN總線(xiàn)物理電平測試
CAN總線(xiàn)信號是以物理電平為載體傳輸的，信號使用差分電壓傳送，兩條信號線(xiàn)被稱(chēng)為CAN一和CAN -L，物理電平直接決定了CAN總線(xiàn)信號能否正常傳輸，如表1、圖4所示。



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



1.2 CAN總線(xiàn)電平沿信號測試
CAN總線(xiàn)物理電平的信號沿斜率確保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，但對于信號沿的測量仍然需要精確要求。信號沿太陡會(huì )使電平信號變化的時(shí)間太短，會(huì )引起電壓沖擊，導致EMC問(wèn)題；信號沿太緩會(huì )使信號變化辨識度下降，嚴重時(shí)會(huì )產(chǎn)生錯誤幀，導致CAN總線(xiàn)通信問(wèn)題，如圖5所示，測量CAN總線(xiàn)信號沿波形，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(xiàn)終端電阻測試
終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號反射，在通信過(guò)程中，有兩種原因導致信號反射：阻抗不連續和阻抗不匹配。阻抗不連續，信號在傳輸線(xiàn)末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒(méi)有，信號在這個(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。由于信號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。引起信號反射的另外一個(gè)原因是數據收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現在通信線(xiàn)路處在空閑方式時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )數據混亂。為了提高網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的拓撲能力，CAN總線(xiàn)兩端需要接有120Ω的抑制反射的終端電阻，它對匹配總線(xiàn)阻抗起著(zhù)非常重要的作用，如果忽略此電阻，會(huì )使數字通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無(wú)法通信，對于終端電阻的測量，需要在CAN總線(xiàn)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CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統進(jìn)行全面測試，對CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行故障注入和故障干擾，模擬CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中所能夠出現的故障狀態(tài)，具體故障狀態(tài)如圖7所示。

在搭建的測試系統中，上述的故障注入主要是用于CAN總線(xiàn)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)行測試和分析，積累故障現象和表現狀態(tài)。在CAN總線(xiàn)物理層的測試過(guò)程時(shí)，如圖8所示，現象為電壓幅值過(guò)小，CAN總線(xiàn)上的波形故障狀態(tài)與正常狀態(tài)的對比，可以清晰地看出在CAN總線(xiàn)物理層的總線(xiàn)電平和信號沿體現的特性，導致這種現象的因素可能是終端電阻的阻值偏小，不能匹配網(wǎng)絡(luò )，或者是節點(diǎn)過(guò)多導致。造成上升、下降沿過(guò)慢現象的主要因素是CAN總線(xiàn)通信距離過(guò)長(cháng)或者終端電阻阻值匹配過(guò)大造成。這些測試出來(lái)的故障應該盡可能地在汽車(chē)研發(fā)的測試階段解決，如果一旦在汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)上出現或者在售后出現，對于這類(lèi)故障是很不好解決的，并且這些測試也應該在研發(fā)階段對汽車(chē)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上的各個(gè)ECU進(jìn)行，對ECU在CAN總線(xiàn)通信的軟件、硬件進(jìn)行評估。

如圖9所示，現象為CAN總線(xiàn)上出現正向反射和負向反射與正常狀態(tài)的波形對比，可以從波形上看出在CAN總線(xiàn)物理層的總線(xiàn)電平和信號沿方面的不同，導致這種現象的主要原因是終端電阻不匹配或者不連續，信號在傳輸的過(guò)程中遇到電阻阻值過(guò)小，在這些地方形成了正向和負向反射。


CAN總線(xiàn)技術(shù)有助于解決現代汽車(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)的數量和導線(xiàn)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，而且增強了網(wǎng)絡(luò )信息傳輸的可靠性。網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的引入也給網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)在通信安全穩定方面帶來(lái)了一些問(wèn)題。比如，網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)突然掉線(xiàn)，其他需要與之通信的節點(diǎn)并未預知這種情況，它們會(huì )毫無(wú)意義地等待掉線(xiàn)節點(diǎn)的應答或數據傳輸，造成資源浪費，甚至有可能產(chǎn)生其他嚴重問(wèn)題，而且，節點(diǎn)本身也要有監測本身是否在線(xiàn)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)行數據傳輸和解析，CAN總線(xiàn)被細分為以下不同的層次：物理層（Physical Layer）、數據鏈路層（Data Link Layer）、交互層（Interaction Layer）。根據在不同層次下的特性，對汽車(chē)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結構進(jìn)行測試研究及分析。

1 CAN總線(xiàn)物理層
CAN總線(xiàn)物理層是基于IS011898-2國際標準要求，對CAN總線(xiàn)的底層協(xié)議進(jìn)行定義，根據CAN總線(xiàn)物理層的規定，設計CAN總線(xiàn)的節點(diǎn)結構，如圖1所示。

在CAN總線(xiàn)節點(diǎn)中，CAN收發(fā)器應該符合IS011898-2標準，總線(xiàn)通信的最高速率為1 Mbps，能夠抗環(huán)境瞬間干擾，具有保護總線(xiàn)的能力，并且能對CAN總線(xiàn)信號的斜率進(jìn)行修正和控制，降低射頻干擾RFI，內部具有熱保護以及電源和搭鐵短路保護電路，低電流狀態(tài)下進(jìn)入待機模式，未上電的節點(diǎn)對總線(xiàn)不會(huì )造成影響。CAN收發(fā)器工作原理如圖2所示。

對被測單元或者網(wǎng)絡(luò )配接測試設備，建立測試系統和操作界面，對整體網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行測試和分析。如圖3所示。

1.1 CAN總線(xiàn)物理電平測試
CAN總線(xiàn)信號是以物理電平為載體傳輸的，信號使用差分電壓傳送，兩條信號線(xiàn)被稱(chēng)為CAN一和CAN -L，物理電平直接決定了CAN總線(xiàn)信號能否正常傳輸，如表1、圖4所示。



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



1.2 CAN總線(xiàn)電平沿信號測試
CAN總線(xiàn)物理電平的信號沿斜率確保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，但對于信號沿的測量仍然需要精確要求。信號沿太陡會(huì )使電平信號變化的時(shí)間太短，會(huì )引起電壓沖擊，導致EMC問(wèn)題；信號沿太緩會(huì )使信號變化辨識度下降，嚴重時(shí)會(huì )產(chǎn)生錯誤幀，導致CAN總線(xiàn)通信問(wèn)題，如圖5所示，測量CAN總線(xiàn)信號沿波形，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(xiàn)終端電阻測試
終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號反射，在通信過(guò)程中，有兩種原因導致信號反射：阻抗不連續和阻抗不匹配。阻抗不連續，信號在傳輸線(xiàn)末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒(méi)有，信號在這個(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。由于信號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。引起信號反射的另外一個(gè)原因是數據收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現在通信線(xiàn)路處在空閑方式時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )數據混亂。為了提高網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的拓撲能力，CAN總線(xiàn)兩端需要接有120Ω的抑制反射的終端電阻，它對匹配總線(xiàn)阻抗起著(zhù)非常重要的作用，如果忽略此電阻，會(huì )使數字通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無(wú)法通信，對于終端電阻的測量，需要在CAN總線(xiàn)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CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統進(jìn)行全面測試，對CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行故障注入和故障干擾，模擬CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中所能夠出現的故障狀態(tài)，具體故障狀態(tài)如圖7所示。

在搭建的測試系統中，上述的故障注入主要是用于CAN總線(xiàn)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)行測試和分析，積累故障現象和表現狀態(tài)。在CAN總線(xiàn)物理層的測試過(guò)程時(shí)，如圖8所示，現象為電壓幅值過(guò)小，CAN總線(xiàn)上的波形故障狀態(tài)與正常狀態(tài)的對比，可以清晰地看出在CAN總線(xiàn)物理層的總線(xiàn)電平和信號沿體現的特性，導致這種現象的因素可能是終端電阻的阻值偏小，不能匹配網(wǎng)絡(luò )，或者是節點(diǎn)過(guò)多導致。造成上升、下降沿過(guò)慢現象的主要因素是CAN總線(xiàn)通信距離過(guò)長(cháng)或者終端電阻阻值匹配過(guò)大造成。這些測試出來(lái)的故障應該盡可能地在汽車(chē)研發(fā)的測試階段解決，如果一旦在汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)上出現或者在售后出現，對于這類(lèi)故障是很不好解決的，并且這些測試也應該在研發(fā)階段對汽車(chē)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上的各個(gè)ECU進(jìn)行，對ECU在CAN總線(xiàn)通信的軟件、硬件進(jìn)行評估。

如圖9所示，現象為CAN總線(xiàn)上出現正向反射和負向反射與正常狀態(tài)的波形對比，可以從波形上看出在CAN總線(xiàn)物理層的總線(xiàn)電平和信號沿方面的不同，導致這種現象的主要原因是終端電阻不匹配或者不連續，信號在傳輸的過(guò)程中遇到電阻阻值過(guò)小，在這些地方形成了正向和負向反射。


3 結論