詳解CAN總線幾種正常的“異常”波形

工程師們通常使用示波器觀察CAN總線的信號質(zhì)量，一般主要關注CAN總線差分信號的幅值、最小位寬、邊沿情況等。相信不少工程師都看到過一條報文數(shù)據(jù)的波形上高高低低存在多個幅值，心里可能會變得忐忑不安，幅值不統(tǒng)一是不是波形出現(xiàn)畸變了呢?其實并非如此，今天就把CAN總線上的幅值“異常”歸歸類。

一、CAN-bus信號產(chǎn)生原理

眾所周知，一個標準CAN節(jié)點由微處理器、控制器、收發(fā)器構(gòu)成。多個節(jié)點成總線型架構(gòu)掛在一起，兩個端節(jié)點上并有終端電阻。其結(jié)構(gòu)簡圖如下圖所示。

圖1 CAN-bus節(jié)點網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

可以看出，與總線直接相連的是CAN節(jié)點的收發(fā)器，起內(nèi)部電路等效如下圖所示，CAN-H、CAN-L直接由三極管驅(qū)動，近似可以看成電流型輸出。結(jié)合上文所述網(wǎng)絡架構(gòu)中的終端電阻，節(jié)點發(fā)出信號時電流流過終端電阻產(chǎn)生電壓信號，當同一時間多個節(jié)點同時發(fā)出信號時就會使總線上的電流高于單一節(jié)點發(fā)出的電流，使得我們觀察電壓信號時出現(xiàn)突增的現(xiàn)象。

圖2 CAN收發(fā)器結(jié)構(gòu)

CAN-bus是總線型結(jié)構(gòu)，通常狀態(tài)下一般只有一個節(jié)點占有總線。那么有幾種情況會導致多個節(jié)點同時發(fā)出，進而導致幅值出現(xiàn)“異常”呢，下文通過致遠電子CANScope分析儀的幾個測試案例總結(jié)一下。

二、應答位上的幅值“異常”

最常見的，當CAN網(wǎng)絡上存在3個以上的節(jié)點時，應答位上的幅值要明顯高于同一報文的其他位置，如下圖所示。可以看到報文在ID段、數(shù)據(jù)段、CRC校驗段處的幅值均比較一致，但是到應答位處時幅值出現(xiàn)突增。這是為什么呢，大家都知道CAN-bus總線擁有自動應答機制，即當某一節(jié)點發(fā)送完一幀報文時，所有總線中的其余非只聽節(jié)點均會在應答位處做出響應，如果報文被成功識別則發(fā)出一個顯性位做為應答信號。

結(jié)合上文所述，應答位此時CAN總線上的電流是若干節(jié)點電流疊加的綜合，所以應答位的幅值高就很容易講通了。

圖3 應答位上的幅值“異常”

三、ID段上的幅值“異常”

CAN-bus總線的一大特點就是多主結(jié)構(gòu)，即網(wǎng)絡中所有節(jié)點功能對等，沒有主從機的概念，所有節(jié)點均可自由收發(fā)數(shù)據(jù)。保證多主結(jié)構(gòu)得以實現(xiàn)的關鍵在于CAN總線的仲裁機制也稱優(yōu)先級機制。當網(wǎng)絡中同時有多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時會在ID段處產(chǎn)生仲裁，優(yōu)先級高的節(jié)點會最終占有總線。

如下圖所示，可以看到在圖中的標記處波形出現(xiàn)了“臺階”。正是由于在“臺階”出現(xiàn)前有兩個節(jié)點同時發(fā)出數(shù)據(jù)，導致幅值增高，在“臺階”處某一節(jié)點由于優(yōu)先級高占有總線，另一個節(jié)點暫時退出，使得幅值又回歸平常。

圖4 ID段上的幅值異常

四、錯誤幀上的幅值“異常”

再看看這個案例，可以看到在波形的后半部分也出現(xiàn)了臺階式的幅值增高，光標卡住的顯性電平區(qū)間可以看到寬度明顯超過了5個標準位寬，按照CAN總線的位填充規(guī)則(不能存在連續(xù)六個相同的顯性位或隱性位)表明這是一條錯誤幀。但是不要誤會，并不是因為這個幅值“異常”而導致的錯誤幀，我們知道CAN總線有錯誤重發(fā)機制，以保證總線傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。這種可靠性正式通過錯誤幀的“一票否決制”實現(xiàn)的。

當網(wǎng)絡中某一節(jié)點識別到一條認為是有問題的報文后會發(fā)送六個連續(xù)的顯性位(即錯誤幀)，投出這一否決票通知網(wǎng)絡上所有其他節(jié)點，本條報文無效。此后其他節(jié)點會以“跟票”的形式全部發(fā)出六個顯性位錯誤幀。所以此時多個節(jié)點重疊部分的錯誤幀的幅值就會高一些了。

圖5 錯誤幀上的幅值異常