詳解CAN物理層調(diào)試基礎(chǔ)知識(shí)及舉例

CAN物理層基礎(chǔ)知識(shí)

一旦完成所有基礎(chǔ)檢查，就可以檢查CAN物理層的核心CAN總線了。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)射器被稱作CAN的驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)VCC/2共模點(diǎn)(約2.5V)對(duì)CAN物理層偏置，見圖4。

圖4：簡(jiǎn)易CAN總線收發(fā)器

發(fā)收器將單端數(shù)字邏輯信號(hào)、TXD(或者D)和RXD(或者R)轉(zhuǎn)換為差分CAN總線所要求的電平。當(dāng)總線為顯性時(shí)，在接收節(jié)點(diǎn)，其CAN標(biāo)準(zhǔn)定義的差分電壓(Vdiff(D))大于1.2V，并且處于邏輯低狀態(tài)。當(dāng)總線為隱性時(shí)，在接收節(jié)點(diǎn)，其CAN標(biāo)準(zhǔn)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)。兩種總線狀態(tài)均通過(guò)收發(fā)器內(nèi)共模網(wǎng)絡(luò)偏置。圖5顯示了典型的總線層級(jí)。

圖5：CAN總線狀態(tài)

對(duì)總線進(jìn)行調(diào)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(hào)，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)器和總線性能如預(yù)期。進(jìn)行初次調(diào)試時(shí)，只需一個(gè)低帶寬示波器，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)CAN被限定在1Mbps。(在不遠(yuǎn)的將來(lái)，在引入擁有靈活數(shù)據(jù)速率的CAN以后，這種情況將有所改變。)如果該節(jié)點(diǎn)正發(fā)送數(shù)據(jù)比特流，則可在TXD輸入端看到輸入數(shù)據(jù)。差分CAN總線引腳(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(jié)點(diǎn)正在接收，則TXD 閑置;但是總線和RXD輸出會(huì)顯示CAN幀。

為了演示基礎(chǔ)CAN總線工作情況，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(shù)字通道，以及一個(gè)函數(shù)生成器。CAN總線由兩個(gè) SN65HVD255D EVM組成，每個(gè)在總線上的端接電阻均為120Ω。示波器函數(shù)生成器連接至頂部EVM的TXD輸入引腳。圖7中，數(shù)字通道1顯示了CANH信號(hào)(藍(lán)色);模擬通道2顯示了CANL信號(hào)(黃色);數(shù)字通道2顯示了RXD信號(hào)(綠色)。盡管該示波器的精確度很低，但這個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試表明，該CAN物理層的表現(xiàn)在總體上符合我們的預(yù)期。

圖6：兩個(gè)EVM的CAN總線調(diào)試

圖7：TI CAN EVM信號(hào)

圖 8顯示了該示波器和用于調(diào)試TI CAN演示系統(tǒng)的探針裝置。該節(jié)點(diǎn)使用菊形鏈，并使用CANopen D-SUB 9針連接器。一個(gè)總線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(jié)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(shù)字通道。另一種方法是，給每個(gè)收發(fā)器焊接一小段線，這樣示波器探針便可更容易地連接。

圖8：TI CAN演示系統(tǒng)調(diào)試

圖 9顯示了示波器獲得的CAN信號(hào)詳細(xì)情況。盡管這些信號(hào)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(jié)點(diǎn)工作的那些信息。中間節(jié)點(diǎn)的TXD觸發(fā)了示波器;CANH和CANL信號(hào)差異符合預(yù)期;在CAN構(gòu)架端可清楚地看到高差分電壓的收到確認(rèn)(ACK)位。該高壓為同時(shí)并行產(chǎn)生ACK位的多個(gè) CAN節(jié)點(diǎn)的結(jié)果。輕松找出ACK位的另一個(gè)方法是其存在于RXD信號(hào)中而非TXD信號(hào)中，這意味著它由另一些節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生。

圖9：TI CAN演示系統(tǒng)的信號(hào)

CAN調(diào)試?yán)?/p>

圖10顯示了一個(gè)CAN演示系統(tǒng)，在PCB右邊，連接至菊形鏈輸出的CANH線路被損壞。出現(xiàn)這種情況的原因是，系統(tǒng)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(tǒng)被運(yùn)輸至世界各地。當(dāng)系統(tǒng)通過(guò)菊形鏈總線接口連接至其他CAN節(jié)點(diǎn)時(shí)，便故障無(wú)法工作。

圖10：帶有損壞CANH線路的CAN演示系統(tǒng)

圖11所示CANH信號(hào)表明了該損壞PCB線路的效果。另外，DMM連續(xù)性檢查也可證實(shí)該開路。

圖11：PCB上CANH線路遭損壞的TI CAN信號(hào)

圖 11還突出詳細(xì)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(xiàn)觸發(fā)器時(shí)，其在右手節(jié)點(diǎn)的TXD引腳上被觸發(fā)。該單比特為這一節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的ACK位，目的是確認(rèn)接收到一個(gè)有效的CAN幀。所有接收節(jié)點(diǎn)確認(rèn)收到發(fā)送節(jié)點(diǎn)的CAN幀。相比在TXD上看到的發(fā)送ACK位，總線上所看到的ACK位的位時(shí)間稍長(zhǎng)。這是同時(shí)發(fā)送ACK位的多個(gè)節(jié)點(diǎn)的假象。影響這種長(zhǎng)位時(shí)間的一些因素包括：通過(guò)線纜的5ns/m延遲、三個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘計(jì)時(shí)漂移以及同時(shí)發(fā)送一個(gè)ACK位的兩個(gè)節(jié)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(zhǎng)，并在ACK分隔符內(nèi)保持顯性，則其可能引起CAN誤差幀。

CAN總線調(diào)試的另一個(gè)例子是，在某個(gè)系統(tǒng)中，只有非常慢的CAN數(shù)據(jù)速率(比特計(jì)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(shù)據(jù)速率下，9.6μs計(jì)時(shí)延遲相當(dāng)于10比特。它的根本原因是：我們正使用一個(gè)具有開路漏極的微處理器來(lái)驅(qū)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(qū)動(dòng)。僅有CAN收發(fā)器的弱內(nèi)部上拉正驅(qū)動(dòng)TXD引腳高，因此它的RC時(shí)間常量非常長(zhǎng)。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。

圖12：TXD引腳上慢上升時(shí)間例子

結(jié)論

本文介紹的CAN物理層基礎(chǔ)和調(diào)試舉例，應(yīng)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(yīng)的數(shù)據(jù)表，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該可以馬上讓其CAN系統(tǒng)正常運(yùn)行了。