如何進(jìn)行CAN信號(hào)質(zhì)量評(píng)估

摘要：CAN總線(xiàn)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子、現(xiàn)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(hào)是各節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定通信的基礎(chǔ)，那么，如何判斷總線(xiàn)信號(hào)質(zhì)量的優(yōu)劣呢？我們可以對(duì)信號(hào)做一次質(zhì)量評(píng)估。

一、為什么要評(píng)估檢查CAN信號(hào)的質(zhì)量？

信號(hào)質(zhì)量較差的CAN信號(hào)，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)送或接收節(jié)點(diǎn)無(wú)法正確識(shí)別信號(hào)電平，使通信受到影響。信號(hào)質(zhì)量評(píng)估是分析CAN通信信號(hào)質(zhì)量的一種有效手段，對(duì)單節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量評(píng)估，能直觀反映節(jié)點(diǎn)信號(hào)電平質(zhì)量的好壞；對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量評(píng)估，能直觀地比較各節(jié)點(diǎn)信號(hào)質(zhì)量情況，便于問(wèn)題的分析和定位。

二、CAN信號(hào)質(zhì)量評(píng)估的相關(guān)概念

CAN節(jié)點(diǎn)是通過(guò)差分信號(hào)進(jìn)行通信的，因此，信號(hào)質(zhì)量的評(píng)估對(duì)象為CAN差分信號(hào)的波形。信號(hào)質(zhì)量評(píng)估即對(duì)差分信號(hào)波形的幅值、斜率及擾動(dòng)等元素按照一定的規(guī)則進(jìn)行綜合評(píng)估，得到的質(zhì)量評(píng)估結(jié)果，以百分比的形式呈現(xiàn)。信號(hào)質(zhì)量評(píng)估參數(shù)圖如圖1所示：

圖1  信號(hào)質(zhì)量評(píng)估參數(shù)圖

?無(wú)干擾電壓范圍

無(wú)干擾電壓范圍是指待評(píng)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(hào)邊沿時(shí)間，是波形中信號(hào)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(hào)質(zhì)量評(píng)估方法

1、斜率評(píng)估

全面評(píng)估CAN總線(xiàn)電平的信號(hào)質(zhì)量，邊沿時(shí)間的評(píng)估是不可或缺的，過(guò)于平緩的邊沿會(huì)導(dǎo)致接收節(jié)點(diǎn)采樣錯(cuò)誤。如圖2所示的波形，邊沿明顯過(guò)于平緩。

圖2  信號(hào)邊沿過(guò)于平緩現(xiàn)象

斜率評(píng)估計(jì)算公式如下：

由計(jì)算公式可知，當(dāng)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(píng)分越低；當(dāng)邊沿時(shí)間達(dá)到位時(shí)間的50%時(shí)，評(píng)分為0%，這時(shí)位信號(hào)已經(jīng)嚴(yán)重畸變，影響節(jié)點(diǎn)對(duì)位電平的識(shí)別。

2、幅值評(píng)估

信號(hào)質(zhì)量的好壞與信號(hào)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(duì)應(yīng)的頂部值和底部值需在ISO 11898-2定義的范圍之內(nèi)，否則可能導(dǎo)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(cuò)性降低，如圖5所示，幅值對(duì)應(yīng)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(hào)幅值過(guò)低

幅值評(píng)估公式如下：

1）無(wú)干擾電壓范圍

2）幅值評(píng)分

由計(jì)算公式可知，幅值的評(píng)估與無(wú)干擾電壓范圍密切相關(guān)，當(dāng)無(wú)干擾電壓范圍為1V時(shí)，評(píng)分最小，為0%；而2.2V為無(wú)干擾電壓范圍的最優(yōu)值，對(duì)應(yīng)評(píng)分為100%。

3、擾動(dòng)評(píng)估

信號(hào)在波形頂部值和底部值的抖動(dòng)直觀地反映了信號(hào)受到的干擾情況，即往往會(huì)使波形出現(xiàn)預(yù)沖和過(guò)沖現(xiàn)象。

圖6  信號(hào)預(yù)沖現(xiàn)象

圖7  信號(hào)過(guò)沖現(xiàn)象

信號(hào)擾動(dòng)按照如下公式進(jìn)行評(píng)估：

由計(jì)算公式可知，當(dāng)峰峰值與無(wú)干擾電壓范圍越接近時(shí)，評(píng)分越高，此時(shí)表征信號(hào)波形的預(yù)沖、過(guò)沖較小，當(dāng)峰峰值和無(wú)干擾電壓范圍相等時(shí)，評(píng)分為100%。

4、綜合質(zhì)量

由以上三部分得到信號(hào)質(zhì)量評(píng)估的綜合結(jié)果，計(jì)算公式如下：

注：1/3可看作三大信號(hào)質(zhì)量評(píng)估內(nèi)容的權(quán)重，它們一般使用相同的權(quán)值。

5、注意事項(xiàng)

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

2、根據(jù)CAN通信的原理，仲裁場(chǎng)和ACK場(chǎng)期間，多個(gè)節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的傳輸，這兩個(gè)位場(chǎng)不宜參與信號(hào)質(zhì)量的評(píng)估，因?yàn)橛糜谠u(píng)估的波形應(yīng)該屬于同一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣才能保證評(píng)估結(jié)果表征的是同一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3、僅對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀且有完整波形的報(bào)文進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估的波形為差分波形。

四、信號(hào)質(zhì)量自動(dòng)化評(píng)估

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

第一步，用CAN總線(xiàn)分析儀采集DUT一定數(shù)量的報(bào)文。

圖8  CAN報(bào)文采集

第二步，點(diǎn)擊報(bào)文菜單區(qū)的“信號(hào)質(zhì)量”圖標(biāo)，設(shè)置好參數(shù)后點(diǎn)擊“開(kāi)始評(píng)估”按鈕。等待分析完畢后得到結(jié)果，如圖9。

圖9  信號(hào)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果

軟件對(duì)評(píng)估結(jié)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(jié)點(diǎn)。如圖10是采集兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信報(bào)文進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量評(píng)估的結(jié)果，節(jié)點(diǎn)1的報(bào)文ID段最后一個(gè)字節(jié)均為0xF4，節(jié)點(diǎn)2的報(bào)文ID段最后一個(gè)字節(jié)均為0x56。

圖10  多個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)質(zhì)量比較

由信號(hào)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果可以知道,節(jié)點(diǎn)2的信號(hào)質(zhì)量較差，需要采取一定的措施改善其信號(hào)的質(zhì)量，以保證通信的可靠性。

總結(jié)：

CAN總線(xiàn)電平信號(hào)的質(zhì)量評(píng)估檢測(cè)有助于排查總線(xiàn)故障，定位故障節(jié)點(diǎn)，從而改善及提升CAN總線(xiàn)系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性。