詳解CAN物理層調試基礎知識及舉例

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)。

圖1：CAN物理層調試基本工具

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。

圖2：CAN應用簡(jiǎn)易原理圖

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。

表1：PCB和CAN收發(fā)器連接總結

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。

圖2：CAN應用簡(jiǎn)易原理圖

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)。