如何進(jìn)行CAN信號質(zhì)量評估

摘要：CAN總線(xiàn)廣泛應用于汽車(chē)電子、現代工業(yè)及軍工航空等安全要求較高的領(lǐng)域，優(yōu)質(zhì)的CAN信號是各節點(diǎn)穩定通信的基礎，那么，如何判斷總線(xiàn)信號質(zhì)量的優(yōu)劣呢？我們可以對信號做一次質(zhì)量評估。

一、為什么要評估檢查CAN信號的質(zhì)量？

信號質(zhì)量較差的CAN信號，可能會(huì )導致發(fā)送或接收節點(diǎn)無(wú)法正確識別信號電平，使通信受到影響。信號質(zhì)量評估是分析CAN通信信號質(zhì)量的一種有效手段，對單節點(diǎn)進(jìn)行信號質(zhì)量評估，能直觀(guān)反映節點(diǎn)信號電平質(zhì)量的好壞；對CAN網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行信號質(zhì)量評估，能直觀(guān)地比較各節點(diǎn)信號質(zhì)量情況，便于問(wèn)題的分析和定位。

二、CAN信號質(zhì)量評估的相關(guān)概念

CAN節點(diǎn)是通過(guò)差分信號進(jìn)行通信的，因此，信號質(zhì)量的評估對象為CAN差分信號的波形。信號質(zhì)量評估即對差分信號波形的幅值、斜率及擾動(dòng)等元素按照一定的規則進(jìn)行綜合評估，得到的質(zhì)量評估結果，以百分比的形式呈現。信號質(zhì)量評估參數圖如圖1所示：

圖1  信號質(zhì)量評估參數圖

?無(wú)干擾電壓范圍

無(wú)干擾電壓范圍是指待評估差分波形段中顯性位電平的最小值和隱性位電平的最大值之間的差值。

?峰峰值

峰峰值是指波形中最大值和最小值的差值。

?斜率

斜率即信號邊沿時(shí)間，是波形中信號電平變換時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，包括上升沿和下降沿。

三、信號質(zhì)量評估方法

1、斜率評估

全面評估CAN總線(xiàn)電平的信號質(zhì)量，邊沿時(shí)間的評估是不可或缺的，過(guò)于平緩的邊沿會(huì )導致接收節點(diǎn)采樣錯誤。如圖2所示的波形，邊沿明顯過(guò)于平緩。

圖2  信號邊沿過(guò)于平緩現象

斜率評估計算公式如下：

由計算公式可知，當邊沿過(guò)于平緩，即邊沿時(shí)間占位時(shí)間的比例越大時(shí)，則評分越低；當邊沿時(shí)間達到位時(shí)間的50%時(shí)，評分為0%，這時(shí)位信號已經(jīng)嚴重畸變，影響節點(diǎn)對位電平的識別。

2、幅值評估

信號質(zhì)量的好壞與信號的幅值（幅值是指頂部值與底部值之間的差值）密切相關(guān)，幅值對應的頂部值和底部值需在ISO 11898-2定義的范圍之內，否則可能導致無(wú)法正常通信。

圖3  ISO11898-2 顯性差分電平參考范圍

圖4  ISO11898-2 隱性差分電平參考范圍

幅值異常，會(huì )使CAN通信的容錯性降低，如圖5所示，幅值對應的頂部值只有1.2V左右，低于ISO 11898-2定義的最小值。

圖5  CAN差分信號幅值過(guò)低

幅值評估公式如下：

1）無(wú)干擾電壓范圍

2）幅值評分

由計算公式可知，幅值的評估與無(wú)干擾電壓范圍密切相關(guān)，當無(wú)干擾電壓范圍為1V時(shí)，評分最小，為0%；而2.2V為無(wú)干擾電壓范圍的最優(yōu)值，對應評分為100%。

3、擾動(dòng)評估

信號在波形頂部值和底部值的抖動(dòng)直觀(guān)地反映了信號受到的干擾情況，即往往會(huì )使波形出現預沖和過(guò)沖現象。

圖6  信號預沖現象

圖7  信號過(guò)沖現象

信號擾動(dòng)按照如下公式進(jìn)行評估：

由計算公式可知，當峰峰值與無(wú)干擾電壓范圍越接近時(shí)，評分越高，此時(shí)表征信號波形的預沖、過(guò)沖較小，當峰峰值和無(wú)干擾電壓范圍相等時(shí)，評分為100%。

4、綜合質(zhì)量

由以上三部分得到信號質(zhì)量評估的綜合結果，計算公式如下：

注：1/3可看作三大信號質(zhì)量評估內容的權重，它們一般使用相同的權值。

5、注意事項

1、信號質(zhì)量的評估應以差分波形的波形段為單位，且波形段中應包含上升沿、下降沿、頂部值以及底部值等波形元素。

2、根據CAN通信的原理，仲裁場(chǎng)和ACK場(chǎng)期間，多個(gè)節點(diǎn)可能同時(shí)進(jìn)行信號的傳輸，這兩個(gè)位場(chǎng)不宜參與信號質(zhì)量的評估，因為用于評估的波形應該屬于同一個(gè)節點(diǎn)，這樣才能保證評估結果表征的是同一個(gè)節點(diǎn)。

3、僅對標準數據幀和擴展數據幀且有完整波形的報文進(jìn)行評估，評估的波形為差分波形。

四、信號質(zhì)量自動(dòng)化評估

以下是以廣州致遠電子有限公司的CAN總線(xiàn)分析儀進(jìn)行信號質(zhì)量評估的操作方法。

第一步，用CAN總線(xiàn)分析儀采集DUT一定數量的報文。

圖8  CAN報文采集

第二步，點(diǎn)擊報文菜單區的“信號質(zhì)量”圖標，設置好參數后點(diǎn)擊“開(kāi)始評估”按鈕。等待分析完畢后得到結果，如圖9。

圖9  信號質(zhì)量評估結果

軟件對評估結果支持多種分類(lèi)和顯示方式，便于分析定位問(wèn)題，充分利用該功能可以迅速地定位問(wèn)題節點(diǎn)。如圖10是采集兩個(gè)節點(diǎn)的通信報文進(jìn)行信號質(zhì)量評估的結果，節點(diǎn)1的報文ID段最后一個(gè)字節均為0xF4，節點(diǎn)2的報文ID段最后一個(gè)字節均為0x56。

圖10  多個(gè)節點(diǎn)的信號質(zhì)量比較

由信號質(zhì)量評估結果可以知道,節點(diǎn)2的信號質(zhì)量較差，需要采取一定的措施改善其信號的質(zhì)量，以保證通信的可靠性。

總結：

CAN總線(xiàn)電平信號的質(zhì)量評估檢測有助于排查總線(xiàn)故障，定位故障節點(diǎn)，從而改善及提升CAN總線(xiàn)系統通信的穩定性。