控制器局域網(wǎng)（CAN）物理層調試基礎知識

引言

控制器局域網(wǎng)(CAN)標準不斷發(fā)展，正用于車(chē)載和工業(yè)網(wǎng)絡(luò )之外的許多新應用。支持它的微處理器變得普遍且價(jià)格低廉，并且開(kāi)源協(xié)議棧讓其非常容易訪(fǎng)問(wèn)，同時(shí)也容易添加至新系統。有許多CAN板可用于BeagleBone (Capes)、Stellaris® (BoosterPacks)、Arduino (Shields)和其他微處理器開(kāi)發(fā)平臺。當設計人員的系統上電卻不能工作時(shí)，應該怎么辦呢?本文為您介紹一種對CAN物理層進(jìn)行調試的較好工程方法。我們將介紹基礎調試步驟，并說(shuō)明一個(gè)CAN物理層應有的性能，以及找出問(wèn)題的一些小技巧。

調試基礎知識

ISO11898-2和ISO11898-5規范詳細說(shuō)明了高速CAN物理層即收發(fā)器。掌握CAN物理層的基礎知識以后，利用簡(jiǎn)單的調試工具便可迅速地找出常見(jiàn)問(wèn)題。所需的基本實(shí)驗室工具為示波鏡、數字萬(wàn)用表(DMM)和一個(gè)電源。如果想要深入了解問(wèn)題，則需要更高精度和更復雜的工具。這種問(wèn)題已非本文討論的范疇，但是這里介紹的基礎知識可幫助確定問(wèn)題所屬類(lèi)別，以及進(jìn)一步調試所需的其他工具。一個(gè)由 TI 組裝的CAN演示系統以及TI的SN65NVD255D評估模塊(EVM)1，用于演示硬件。另外，我們還使用了其他一些東西，例如：CAN連接器外接頭電纜和芯片鉤(抓住收發(fā)器引腳，讓其連接至電纜，以更加容易地連接示波器指針，如圖1所示)。

連接檢查

開(kāi)始調試對話(huà)時(shí)，使用DMM確認印刷電路板(PCB)上連接如我們所預計的那樣—系統未上電。這看似很基礎，但令人吃驚的是，這個(gè)簡(jiǎn)單的方法卻解決了許多簡(jiǎn)單問(wèn)題。所有人都會(huì )認為原理圖、布局和制造工藝沒(méi)有問(wèn)題，但不幸的是，它們有時(shí)卻并不如人愿。子插件板位置錯誤、虛焊和錯誤端接或者連接的電纜，都是一些常見(jiàn)問(wèn)題。利用DMM電阻設置來(lái)確認所有線(xiàn)路和連接均正確。圖2所示CAN應用的簡(jiǎn)易原理圖用作參考。

表1列舉了需要檢查的PCB和網(wǎng)絡(luò )連接。收發(fā)器引腳和PCB上其他相關(guān)連接之間的電阻應為0Ω，除非設計使用表注里介紹的一些選項。例如，限流串聯(lián)電阻器、總線(xiàn)端接電阻器或者數字I/O的上拉或下拉電阻器。

總線(xiàn)端接檢查

大多數CAN標準均規定使用一條單雙絞線(xiàn)(有或者無(wú)屏蔽層)，其特性阻抗(Z0)為120Ω。應使用與線(xiàn)路特性阻抗相同的電阻器來(lái)端接電纜兩端，以防止信號反射。端接可以為電纜上總線(xiàn)端的單120Ω電阻器，如圖3中CAN總線(xiàn)左側所示;或者，它也可以位于某個(gè)端接節點(diǎn)內，如圖3右側所示。不得將端接電阻從總線(xiàn)移除。如果CAN端接電阻負載不存在，則信號完整性會(huì )受到影響，并且無(wú)法滿(mǎn)足比特計時(shí)要求。如果總線(xiàn)共模電壓濾波和穩壓理想，則使用分裂端接，如圖2所示。在該圖中，每個(gè)電阻器均為60Ω，而分裂電容器范圍為1 nF到100 nF，具體取決于共模濾波器所需的頻率。2CANH到CANL的測得電阻應介于45Ω到65Ω之間，以達到CAN標準、兩個(gè)端接電阻器的并聯(lián)阻抗以及并聯(lián)節點(diǎn)輸入電阻的容差。應根據可能碰到的極端故障狀態(tài)(通常為系統接地的電源電壓)來(lái)確定端接電阻器的額定功率。

電源檢查

在系統上電以前，應首先檢查CAN收發(fā)器的一個(gè)或者多個(gè)電源。根據所使用的收發(fā)器類(lèi)型，VCC應為3.3V或者5V。不管您相不相信，在一些情況下，丟失VCC確實(shí)為問(wèn)題的根本原因。因此，我們應確保VCC存在于收發(fā)器的VCC引腳上。只需檢查DMM，便可確認有電源存在。必須注意電源短路接地(不幸的是，該引腳就在VCC引腳的旁邊)。

顯性狀態(tài)(60Ω總線(xiàn)負載時(shí)約為60mA)和隱性狀態(tài)(10mA)之間所需電流(ICC)差約為50mA。顯性總線(xiàn)狀態(tài)期間端接電阻差分電壓的產(chǎn)生需要這50mA的電流差，并且其隨總線(xiàn)負載變化而變化。DMM還可用在電流模式下，以驗證預計ICC電源電流。由于CAN的開(kāi)關(guān)性質(zhì)，DMM測得的電流偽平均讀取值。

建議本地旁路電容器至少應為4.7µF，以確?？偩€(xiàn)狀態(tài)轉換期間有足夠的電源緩沖。否則，收發(fā)器的突入電流可能會(huì )引起明顯的電壓電源紋波。我們可以使用一個(gè)示波器來(lái)驗證電源電壓是穩定，還是隨著(zhù)總線(xiàn)狀態(tài)變化而變化。轉換期間，最好不要讓收發(fā)器“饑餓”。收發(fā)器受到其限流的保護，但是，當收發(fā)器試圖驅動(dòng)總線(xiàn)至顯性狀態(tài)時(shí)，如果其中一條總線(xiàn)短路至電源或者接地，則電源電流極高。如果電壓調節器無(wú)法提供這么多的電流，則電壓電平降至收發(fā)器規格范圍以下，甚至可能會(huì )低至觸發(fā)收發(fā)器的欠壓鎖定狀態(tài)。

CAN物理層基礎知識

一旦完成所有基礎檢查，就可以檢查CAN物理層的核心CAN總線(xiàn)了。收發(fā)器的兩個(gè)關(guān)鍵組件便是接收器和發(fā)射器。發(fā)射器被稱(chēng)作CAN的驅動(dòng)器。通過(guò)VCC/2共模點(diǎn)(約2.5V)對CAN物理層偏置，見(jiàn)圖4。

發(fā)收器將單端數字邏輯信號、TXD(或者D)和RXD(或者R)轉換為差分CAN總線(xiàn)所要求的電平。當總線(xiàn)為顯性時(shí)，在接收節點(diǎn)，其CAN標準定義的差分電壓(Vdiff(D))大于1.2V，并且處于邏輯低狀態(tài)。當總線(xiàn)為隱性時(shí)，在接收節點(diǎn)，其CAN標準定義的差分電壓(Vdiff(R))為-120mV≤(Vdiff(R))≤ 12 mV，并且處于邏輯高狀態(tài)。兩種總線(xiàn)狀態(tài)均通過(guò)收發(fā)器內共模網(wǎng)絡(luò )偏置。圖5顯示了典型的總線(xiàn)層級。

對總線(xiàn)進(jìn)行調試時(shí)，最為有用的工具之一便是示波器。盡管單通道示波器便可看到信號，但最好還是用雙或者四通道。理想情況下，可同時(shí)看到TXD、RXD、CANH和CANL，以確保收發(fā)器和總線(xiàn)性能如預期。進(jìn)行初次調試時(shí)，只需一個(gè)低帶寬示波器，因為標準CAN被限定在1Mbps。(在不遠的將來(lái)，在引入擁有靈活數據速率的CAN以后，這種情況將有所改變。)如果該節點(diǎn)正發(fā)送數據比特流，則可在TXD輸入端看到輸入數據。差分CAN總線(xiàn)引腳(CANH/CANL)存在傳輸延遲，同時(shí)還存在RXD輸出傳輸延遲。在CAN中，這些延遲均為循環(huán)時(shí)間，或者說(shuō)循環(huán)延遲。如果該節點(diǎn)正在接收，則TXD閑置;但是總線(xiàn)和RXD輸出會(huì )顯示CAN幀。

為了演示基礎CAN總線(xiàn)工作情況，圖6顯示了一個(gè)示波器，它擁有兩個(gè)模擬通道和兩個(gè)數字通道，以及一個(gè)函數生成器。CAN總線(xiàn)由兩個(gè)SN65HVD255D EVM組成，每個(gè)在總線(xiàn)上的端接電阻均為120Ω。示波器函數生成器連接至頂部EVM的TXD輸入引腳。圖7中，數字通道1顯示了CANH信號(藍色);模擬通道2顯示了CANL信號(黃色);數字通道2顯示了RXD信號(綠色)。盡管該示波器的精確度很低，但這個(gè)簡(jiǎn)單的測試表明，該CAN物理層的表現在總體上符合我們的預期。

圖8顯示了該示波器和用于調試TI CAN演示系統的探針裝置。該節點(diǎn)使用菊形鏈，并使用CANopen® D-SUB 9針連接器。一個(gè)總線(xiàn)外接頭連接器位于圖8左上方。利用它，我們可以輕松地連接模擬示波器探針至CAN總線(xiàn)的CANH和CANL引腳以及GND。由于探針過(guò)大，無(wú)法抓住中間CAN節點(diǎn)的TXD和RXD IC引腳，因此可通過(guò)連接至探針的芯片鉤和一小段電纜，將這些引腳連接至示波器的數字通道。另一種方法是，給每個(gè)收發(fā)器焊接一小段線(xiàn)，這樣示波器探針便可更容易地連接。

圖9顯示了示波器獲得的CAN信號詳細情況。盡管這些信號的分辨率和精度均不高，但它們可以幫助確定需要了解CAN節點(diǎn)工作的那些信息。中間節點(diǎn)的TXD觸發(fā)了示波器;CANH和CANL信號差異符合預期;在CAN構架端可清楚地看到高差分電壓的收到確認(ACK)位。該高壓為同時(shí)并行產(chǎn)生ACK位的多個(gè)CAN節點(diǎn)的結果。輕松找出ACK位的另一個(gè)方法是其存在于RXD信號中而非TXD信號中，這意味著(zhù)它由另一些節點(diǎn)產(chǎn)生。

CAN調試例子

圖10顯示了一個(gè)CAN演示系統，在PCB右邊，連接至菊形鏈輸出的CANH線(xiàn)路被損壞。出現這種情況的原因是，系統后面的一個(gè)固定螺栓摩擦PCB，而在幾年的時(shí)間里該系統被運輸至世界各地。當系統通過(guò)菊形鏈總線(xiàn)接口連接至其他CAN節點(diǎn)時(shí)，便故障無(wú)法工作。

圖11所示CANH信號表明了該損壞PCB線(xiàn)路的效果。另外，DMM連續性檢查也可證實(shí)該開(kāi)路。

圖11還突出詳細顯示了CAN幀的另一個(gè)重要部分，即ACK位。示波器使用單一模式，在某個(gè)單比特發(fā)現觸發(fā)器時(shí)，其在右手節點(diǎn)的TXD引腳上被觸發(fā)。該單比特為這一節點(diǎn)產(chǎn)生的ACK位，目的是確認接收到一個(gè)有效的CAN幀。所有接收節點(diǎn)確認收到發(fā)送節點(diǎn)的CAN幀。相比在TXD上看到的發(fā)送ACK位，總線(xiàn)上所看到的ACK位的位時(shí)間稍長(cháng)。這是同時(shí)發(fā)送ACK位的多個(gè)節點(diǎn)的假象。影響這種長(cháng)位時(shí)間的一些因素包括：通過(guò)線(xiàn)纜的5ns/m延遲、三個(gè)CAN節點(diǎn)之間的時(shí)鐘計時(shí)漂移以及同時(shí)發(fā)送一個(gè)ACK位的兩個(gè)節點(diǎn)所產(chǎn)生的高差分電壓。如果這些因素使ACK位(空檔)變得更長(cháng)，并在A(yíng)CK分隔符內保持顯性，則其可能引起CAN誤差幀。

CAN總線(xiàn)調試的另一個(gè)例子是，在某個(gè)系統中，只有非常慢的CAN數據速率(比特計時(shí))才會(huì )起作用。把一個(gè)示波器連接至TXD引腳，在TXD輸入端顯示出非常慢的上升時(shí)間，如圖12所示。1Mbps的CAN數據速率下，9.6µs計時(shí)延遲相當于10比特。它的根本原因是：我們正使用一個(gè)具有開(kāi)路漏極的微處理器來(lái)驅動(dòng)收發(fā)器的TXD引腳。在這種情況下，沒(méi)有真正的邏輯高電平驅動(dòng)。僅有CAN收發(fā)器的弱內部上拉正驅動(dòng)TXD引腳高，因此它的RC時(shí)間常量非常長(cháng)。通過(guò)在TXD引腳上添加一個(gè)上拉電阻器，便可輕松解決這個(gè)問(wèn)題。

結論

本文介紹的CAN物理層基礎和調試舉例，應該讓您不那么懼怕進(jìn)入CAN世界了吧。利用本文提供的其他一些參考資料以及相應的數據表，設計人員應該可以馬上讓其CAN系統正常運行了。

參考文獻

1、TI SN65HVD255D評估模塊，網(wǎng)址：www.ti.com/sn65hvd255devm-aaj

2、“控制器局域網(wǎng)(CAN)介紹”，作者: Steve Corrigan，見(jiàn)于《應用報告》5.1.13小節，網(wǎng)址：www.ti.com/sloa101-aaj

3、《控制器局域網(wǎng)物理層要求》，作者: Steve Corrigan，刊發(fā)于《應用報告》，網(wǎng)址：www.ti.com/slla270-aaj

4、《3.3V CAN(控制器局域網(wǎng))收發(fā)器概述》，作者: Jason Blackman和Scott Monroe，刊發(fā)于《應用報告》，網(wǎng)址：www.ti.com/slla337-aaj

5、《CAN總線(xiàn)連接的關(guān)鍵間隔》，作者: Steve Corrigan，刊發(fā)于《應用報告》，網(wǎng)址：www.ti.com/ slla279-aaj

6、《CAN收發(fā)器的系統評估》，作者: Sam Broyles，刊發(fā)于《應用報告》，網(wǎng)址：www.ti.com/slla109-aaj