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來源：DigiKey 作者：Steven Keeping 控制器局域網 (CAN) 是一種成熟穩健的通信標準，廣泛應用于工業自動化和汽車等領域。該技術有兩個版本：CAN2.0 和最新版本 CAN-Flexible Data (FD)。傳統的 CAN2.0 系統可通過添加 CAN-FD 節點來實現增強，CAN-FD 節點可提供更高的有效載荷吞吐量，以支持關鍵通信事件。 這兩種技術通常是相互兼容的，但隨著系統復雜性和總線長度的增加，混合系統中 CAN-FD 的較高速度會造成同步問題，從而造成傳輸失敗。 對于簡單的系統來說，CAN 系統測試中包含連接兩個控制器/收發器對的單一短總線可能會令人滿意。然而，對于更復雜的且組合了 CAN2.0 和 CAN-FD 器件的多節點系統，這種測試往往無法檢測出其中可能出現的問題。使用生產系統的孿生系統對所有潛在的使用案例進行專門測試，可以發現現場可能出現的所有問題。 本文將簡要介紹 CAN2.0 和 CAN-FD，并解釋傳輸方面的挑戰。然后介紹測試技術，以確保使用這些網絡的系統盡量減少現場故障。本文將以 Analog Devices 包含故障檢測和報告功能的器件為例，并展示使用此類器件如何加快已部署系統的測試階段和故障排除。此外，還將重點介紹了相關的評估板。 什么是 CAN2.0 和 CAN-FD？ CAN 是一種內置了故障處理功能的分布式通信標準。ISO-118981 標準規定了物理層 (PHY) 和數據鏈路層 (DLL)。 CAN 的功能包括： · 允許總線上有多個主機 · 信息的固有優先級 · 按報文優先級進行總線仲裁 · 多級錯誤檢測和恢復 · 在具有獨立時鐘源的節點間同步數據計時 CAN 采用差分電壓數據傳輸方案，具有兩種總線電壓狀態：“隱性”狀態（驅動器輸出為高阻抗）和“顯性”狀態，閾值如表 1 所示。 
表 1：與 RS-485 相比，CAN 的隱性和顯性電壓電平。請注意，顯性（較高）電壓的對應邏輯“0”。（圖片來源：Analog Devices） 節點傳輸邏輯“0”的顯性狀態（在此狀態下，一條總線 (CANH) 為高電平，另一條 (CANL) 為低電平）和邏輯“1”的隱性狀態。通過在標準幀或錯誤幀結束后檢測到多個隱性位，可將空閑 CAN 總線與處于隱性位傳輸模式的 CAN 總線區分開來（圖 1）。
圖 1：CAN 傳輸方案。空閑模式由多個隱性位標識。（圖片來源：Analog Devices） CAN 收發器在 DLL、CAN 控制器（通常嵌入在微控制器等其他器件中）和 CAN 總線的物理布線之間提供差分 PHY 接口。圖 2 所示為實施 CAN 應用所需的各種元件，以及它們與開放系統互連 (OSI) 層的關系和由每個項目實現的功能。
圖 2：CAN 收發器構成 CAN 控制器和 CAN 總線之間的差分 PHY 接口。（圖片來源：Analog Devices） CAN2.0 于 1991 年推出，標稱吞吐量為 500 Kbits/s。由于這種數據傳輸速率有時無法滿足關鍵通信事件的需要，因此在 2012 年推出了 CAN-FD。CAN-FD 在正常工作條件下的標稱吞吐量高達 2 Mbits/s，而在用于診斷或編程時則高達 5 Mbits/s。請注意，較高的通信速度只適用于報文有效載荷；如 11 位標識符、循環冗余校驗 (CRC) 和確認 (ACK) 等報文的其他元素都以 500 Kbits/s 的 CAN2.0 速率發送。 CAN2.0 和 CAN-FD 的另一個區別在于標準數據幀有效載荷，CAN2.0 的有效載荷為 8 B，而 CAN-FD 的有效載荷則達到 64 B。有效載荷的增加提高了開銷/數據比，從而使 CAN-FD 通信更加高效。此外，以前由于 CAN2.0 的 8 B 有效載荷限制而不得不拆分的報文，現在可以通過 CAN-FD 合并為一條報文。而且，由于 CAN-FD 報文的數據傳輸率更高，有效載荷更大，因此可以通過加密來提高安全性。 由于 CAN-FD 控制器同時支持 CAN2.0 和 CAN-FD 協議，因此在同一網絡中混合使用 CAN2.0 和 CAN-FD 節點是很常見的。混合節點之所以流行，是因為它允許傳統網絡在較長時間內遷移到速度更快的協議。混合系統的一個缺點是增加了成本和復雜性，這是因為收發器必須能夠支持 CAN2.0 節點上的 CAN-FD 濾波方法，以確保在 CAN-FD 通信過程中不會產生錯誤幀。 CAN 的仲裁和錯誤機制 任何已連接的 CAN 節點都可以向總線傳輸數據。為避免通信沖突，節點會對總線的使用進行仲裁，以便根據優先級逐條傳輸報文。CAN 采用無損和透明的仲裁方式；仲裁成功的節點會繼續傳輸其優先級更高的報文，而其他節點不會干擾或破壞報文。這種仲裁是可能的，因為顯性位傳輸會覆蓋隱性總線狀態。 標準數據幀包括一個報文標識符和多個標志位。這些信息被稱為“仲裁字段”。這決定了仲裁，因此也決定了報文優先級。ID 值較低的報文（較多的初始“0”）具有較高優先級（圖 3）。
圖 3：CAN 標準數據幀包括報文標識符以及 RTR 和 IDE 標志位。該仲裁字段規定了仲裁和報文優先級。（圖片來源：Analog Devices） 即使有仲裁計劃，也可能出錯。為了解決這些問題，CAN 協議具有支持錯誤校驗和處理的機制。這些機制包括： · 傳輸位驗證 · CRC 校驗 · 固定格式位域校驗 · 強制報文 ACK 錯誤會通過以下機制進行處理： · 錯誤幀 · 錯誤計數器 · 節點錯誤狀態 任何 CAN 控制器都能檢測錯誤，并通過觸發錯誤幀和錯誤節點計數器做出反應。錯誤幀通過使用六個連續的顯性或隱性位來區分。這種序列與正常傳輸規則不符，因此會被其他節點檢測到。發送錯誤幀的節點隨后會發送隱性位，直到檢測到總線處于隱性狀態。再傳輸 7 個隱性位后，節點就可以嘗試傳輸常規的 CAN 幀（圖 4）。
圖 4：在這一錯誤傳輸示例中（由于額外位 [1]導致 CRC 位錯誤），最右邊顯示的是六個連續的位錯誤幀。（圖片來源：Analog Devices） 除了錯誤幀傳輸外，每個 CAN 節點都發送和接收錯誤計數器。錯誤增加時，計數器會增加一個，而成功發送或接收信息時，計數器會減少一個。根據錯誤計數器，節點可能處于“主動錯誤”、“被動錯誤”或“總線切斷”狀態。在主動錯誤狀態下，節點可以在總線上通信，并在檢測到錯誤時發送主動錯誤標志。當計數器超過 127 時，即進入被動錯誤狀態；在此狀態下，節點只能發送被動錯誤標志。一旦計數器低于 127，節點就會重新變為主動錯誤狀態。如果計數器超過 256，節點將進入總線切斷狀態，進而無法在總線上通信。節點計數器在接收到 128 個具有 11 個連續隱位的序列后，可重置為 0。 全面檢測的重要性 CAN 的仲裁和錯誤機制有助于在發生故障時保持系統的現場運行。不過，通過設計限制發射和接收故障的系統，就能達到更高的運行效率。在幾種運行情況下測試擬議系統，是在部署前發現和校正缺陷的一種方法。 一種常見的技術是使用函數發生器向收發器的 TxD 引腳傳輸典型的運行標準數據幀，以檢驗所選的 CAN 收發器是否發生錯誤。雖然這是對單節點的合理測試，但并不能很好地反映具有長總線的多節點系統在現場的性能。例如，復雜系統可能出現的問題包括高頻運行時電路存根產生的反射和其他偽影。這些都會帶來位之間的相移。 CAN 的仲裁機制只有在位同步的情況下才能工作。如果位與位之間的相移超過單個位傳輸時間的二分之一，則同步失敗，無法進行仲裁。 在以 500 Kbits/s 至 1 Mbit/s 速率運行的 CAN2.0 傳統系統中，單個位傳輸時間足夠長，因此很少會誘發相移問題。然而，由于 CAN-FD 具有更高的吞吐速度，因此位傳輸時間縮短，相位偏移很快就會變得很大。 要克服這些挑戰，就不能僅僅測試單個節點，而是要通過復制完整的終端系統并在各種不同的工作條件下進行測試來驗證設計。雖然這比基本測試更費時費力，但比處理現場故障和客戶不滿要節省得多。 實例 要了解相移測試在實際中的工作原理，可以考慮使用入圍供應商提供的 CAN 收發器和 CAN 控制器設計一個系統。該節點與一條 20 m 總線連接，該總線還支持許多其他節點，包括 CAN2.0 和 CAN-FD 組件。為了便于測試，節點的傳輸速率為 13.3 Mbits/s，相當于 75 ns 的位寬。出于同步和仲裁目的，控制器以 80% 的 TxD 位寬進行采樣，因此它需要的最小 RxD 位寬為 0.8 x 75 = 60 ns，其中包含上升時間、下降時間和環路延遲。測試組件產生的 TxD 位寬為 48 ns，從而導致系統失效。 對 Analog Devices 的 MAX33012EASA+ CAN 收發器進行了同樣的測試。在該測試中，測得 TxD 的位寬為 75 ns，RxD 的位寬為 72 ns。72 ns 的位寬超過了 60 ns 的 80% 采樣時間要求，因此系統同步和仲裁運行是令人滿意的。13.3 Mbits/s 的吞吐量比系統在目標應用中使用時的速度還要快，這表明它足以在所有預期運行條件下正常運行（圖 5）。
圖 5：在 20 米總線上以 13.3 Mbits/s 的速度（75 ns TxD 位寬）運行 MAX33012EASA+ CAN 收發器的測試結果。RxD 位寬為 72 ns，足以確保滿足控制器 80% 的采樣時間 (60 ns) 并實現同步。（圖片來源：Analog Devices） 內置故障排除功能 通過使用包含故障檢測和報告功能的組件，可以使測試過程更輕松，成本更低。MAX33012EASA+ CAN 收發器等器件不僅能快速發現原型和試生產 CAN 電路中存在的問題，還能用于對實時控制系統部署來說，快速故障排除是重要功能的應用。 MAX33012EASA+ 是一款 +5 V CAN 收發器，可解決過流、過壓和傳輸故障等常見故障。該器件的故障保護電壓高達 ±65 V，適合需要過壓保護的應用。共模電壓范圍為 ±25 V，可在如重型機械等嘈雜環境中進行通信。CANH 和 CANL 輸出具有短路限流功能，并通過熱關斷電路防止功率耗散過大，這種電路將驅動器輸出置于高阻抗狀態。 MAX33012EASA+ 的工作頻率高達 5 Mbits/s，并具有將壓擺率減慢至 8 V/μs 的選項，從而最大限度地減少電磁干擾 (EMI) 并允許使用非屏蔽雙絞線或并行電纜（圖 6）。
圖 6：所示為多模系統中的 MAX33012EASA+ 應用電路。在本例中，微控制器包括一個嵌入式 CAN 控制器。（圖片來源：Analog Devices） CAN 收發器的故障檢測在上電時通過 100 次 TxD 低電平到高電平的轉換來啟用（通常是一個或兩個標準數據幀，具體取決于所使用的協議）。故障檢測啟用后，如果檢測到故障，則需要在 TxD 上再進行 16 次低電平到高電平的轉換，以傳輸故障代碼。最后，還需要 10 個脈沖才能清除故障。 啟用故障檢測后，如果 RxD 上的信號連續 10 個周期與 TxD 不匹配，就會觸發傳輸故障檢測功能。例如，當兩個終端電阻都缺失，或者 CANH 與地或 CANL 與 VDD 之間存在短路而導致差分信號不符合規范時，就會出現這種情況。 Analog Devices 提供的 CANbus 接口 Arduino 平臺 評估板 MAX33012E 可用于演示 MAX33012E 的功能。雖然該器件采用 Arduino 盾板外形，但也能單獨用作評估板。 結語 為確保多模 CAN2.0 和 CAN-FD 混合系統在現場可靠運行，必須對整個設計進行全面測試。然而，簡單的單節點測試不足以檢測出故障。然后，由于同步問題可能會破壞該技術的仲裁機制，這些未檢測出的故障又會導致現場故障。通過選擇具有內置故障檢測和報告功能的 CAN 收發器，可以簡化混合多節點 CAN 系統的初始測試和后期現場故障排除工作。 |
