詳解CAN物理層調(diào)試基礎(chǔ)知識(shí)及舉例

控制器局域網(wǎng)(CAN)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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問(wèn)，同時(shí)也容易添加至新系統(tǒng)。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(tái)。當(dāng)設(shè)計(jì)人員的系統(tǒng)上電卻不能工作時(shí)，應(yīng)該怎么辦呢?本文為您介紹一種對(duì)CAN物理層進(jìn)行調(diào)試的較好工程方法。我們將介紹基礎(chǔ)調(diào)試步驟，并說(shuō)明一個(gè)CAN物理層應(yīng)有的性能，以及找出問(wèn)題的一些小技巧。

調(diào)試基礎(chǔ)知識(shí)

ISO11898-2和ISO11898-5規(guī)范詳細(xì)說(shuō)明了高速CAN物理層即收發(fā)器。掌握CAN物理層的基礎(chǔ)知識(shí)以后，利用簡(jiǎn)單的調(diào)試工具便可迅速地找出常見(jiàn)問(wèn)題。所需的基本實(shí)驗(yàn)室工具為示波鏡、數(shù)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(fù)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(chǔ)知識(shí)可幫助確定問(wèn)題所屬類(lèi)別，以及進(jìn)一步調(diào)試所需的其他工具。一個(gè)由 TI 組裝的CAN演示系統(tǒng)以及TI的SN65NVD255D評(píng)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(diào)試基本工具

連接檢查

開(kāi)始調(diào)試對(duì)話時(shí)，使用DMM確認(rèn)印刷電路板(PCB)上連接如我們所預(yù)計(jì)的那樣—系統(tǒng)未上電。這看似很基礎(chǔ)，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(rèn)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(cuò)誤、虛焊和錯(cuò)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(shè)置來(lái)確認(rèn)所有線路和連接均正確。圖2所示CAN應(yīng)用的簡(jiǎn)易原理圖用作參考。

圖2：CAN應(yīng)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(yīng)為0Ω，除非設(shè)計(jì)使用表注里介紹的一些選項(xiàng)。例如，限流串聯(lián)電阻器、總線端接電阻器或者數(shù)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(jié)

總線端接檢查

大多數(shù)CAN標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定使用一條單雙絞線(有或者無(wú)屏蔽層)，其特性阻抗(Z0)為120Ω。應(yīng)使用與線路特性阻抗相同的電阻器來(lái)端接電纜兩端，以防止信號(hào)反射。端接可以為電纜上總線端的單120Ω電阻器，如圖3中CAN總線左側(cè)所示;或者，它也可以位于某個(gè)端接節(jié)點(diǎn)內(nèi)，如圖3右側(cè)所示。不得將端接電阻從總線移除。如果CAN端接電阻負(fù)載不存在，則信號(hào)完整性會(huì)受到影響，并且無(wú)法滿(mǎn)足比特計(jì)時(shí)要求。如果總線共模電壓濾波和穩(wěn)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(cè)得電阻應(yīng)介于45Ω到65Ω之間，以達(dá)到CAN標(biāo)準(zhǔn)、兩個(gè)端接電阻器的并聯(lián)阻抗以及并聯(lián)節(jié)點(diǎn)輸入電阻的容差。應(yīng)根據(jù)可能碰到的極端故障狀態(tài)(通常為系統(tǒng)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(yīng)用簡(jiǎn)易原理圖

電源檢查

在系統(tǒng)上電以前，應(yīng)首先檢查CAN收發(fā)器的一個(gè)或者多個(gè)電源。根據(jù)所使用的收發(fā)器類(lèi)型，VCC應(yīng)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(yīng)確保VCC存在于收發(fā)器的VCC引腳上。只需檢查DMM，便可確認(rèn)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總線負(fù)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，并且其隨總線負(fù)載變化而變化。DMM還可用在電流模式下，以驗(yàn)證預(yù)計(jì)ICC電源電流。由于CAN的開(kāi)關(guān)性質(zhì)，DMM測(cè)得的電流偽平均讀取值。

建議本地旁路電容器至少應(yīng)為4.7μF，以確?？偩€狀態(tài)轉(zhuǎn)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(yàn)證電源電壓是穩(wěn)定，還是隨著總線狀態(tài)變化而變化。轉(zhuǎn)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(hù)，但是，當(dāng)收發(fā)器試圖驅(qū)動(dòng)總線至顯性狀態(tài)時(shí)，如果其中一條總線短路至電源或者接地，則電源電流極高。如果電壓調(diào)節(jié)器無(wú)法提供這么多的電流，則電壓電平降至收發(fā)器規(guī)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)。