CAN收发器的正确系统级测试方法.docx

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1、CAN收发器的正确系统级测试方法目录编者按11. CAN的概念12. CAN总线收发器主要工作原理和应用是什么？13. CAN-FD灵活数据速率34. CAN通信一基础知识45. 仲裁方法66. CAN收发器需要进行系统级测试77. 结论9编者按本文介绍评估控制器局域网(CAN)收发器的正确系统级测试方法。它通过展示在多CAN节点系统中从一个CAN节点到另一个CAN节点执行数据传输时如何避免实际的数据传输问题，解释了为什么这种方法更优越。阅读本文后，读者将对CAN系统有更好的了解，并能够为特定的多节点CAN系统选择正确的CAN收发器。1. CAN的概念CAN(Contro11erAreaNet

2、Work)是-一种强大的通信标准，用于允许不同的传感器、机器或控制器相互通信。CAN接口广泛用于工业自动化、家庭自动化和汽车，因为它更强大，可以有效地处理总线争用。传统CAN2.0提供8字节有效负载，支持高达2Mbps的数据速率。有时，2Mbps的数据速率不足以满足关键通信事件，因此CAN.org提出了一种新的通信协议CAN-FD,允许高达10Mbps的高数据速率通信。2. CAN总线收发器主要工作原理和应用是什么？CAN(COntTonerAreaNetWork)总线是一种高速、可靠的串行通信协议，广泛应用于汽车、工业控制、机器人等领域。CAN收发器是CAN总线中的重要组成部分,它的主要作用

3、是将CAN总线上的数字信号转换为物理信号，以便在CAN总线上进行数据传输。控制器局域网总线(CAN,ContronerAreaNetWork)是-一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议由德国的RObertBOSCh公司开发，用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达IMb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电子

4、干扰性，并且能够检测出产生的任何错误。CAN总线可以应用于汽车电控制系统、电梯控制系统、安全监测系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等领域。CAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。CAN层的定义与开放系统互连模型(OS1)一致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。CAN的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层。下表中展示了OS1开放式互连模型的各层。CAN总线的应用及发展作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本较低的网络通信控制方式，CAN总线广泛应用于楼宇自动化、安全监控、汽车工业、航空工业等领域：1楼

5、宇自动化：在楼宇自动化中，加热和通风、照明、安全和监控等系统对建筑安装提出了更高的要求,现代的建筑安装系统越来越多地建立在CAN总线系统上，通过其现实开关、按钮、传感器、照明设备、其他执行器和多控制系统之间的数据交换，实现建筑中各操作单元之间的协作，并对各单元不断变化的状态实时控制。2 .安全监控：在当前的各种监控系统中，普遍存在可靠性、实时性不高，分站缺乏统一规范等缺点，不能够很好地满足实时监控的要求。CAN总线由于具有高数据传输率、完善的规范和协议、高实时性、安全性、可靠性等，可以很好地克服当前监控系统中存在的各种问题。如：水电站高边坡监控系统、大型远程高边坡监控网络、辑道陶瓷窖等监控系统

6、的应用。3 .汽车工业：在汽车工业中，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯,在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。如：汽车动力系统、制动控制系统、变速箱控制器、仪表、车载网络、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置。其应用使汽车的安全性、舒适性、动力性等性能都进入一个新的高度，给汽车工业发展注入新的活力。CAN总线的特点1、具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；2、采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；3、具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到CAN-bus上，形成多主机局部网络；4、可根据报文的ID决定接收

7、或屏蔽该报文；5、可靠的错误处理和检错机制；6、发送的信息遭到破坏后，可自动重发；7、节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；8、报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，虽然CAN总线最初是为了解决汽车电子控制模块、传感器和执行器的通信问题而被提出的，但由于CAN总线具有成本低，安全性高、可靠性好、实时通信，较强的电磁抗干扰能力，可在高噪声干扰环境中工作等优势，己被广泛应用于各个领域，随着CAN总线技术的不断完善，必将得到更大的发展和更加广泛的应用。3. CAN-FD灵活数据速率传统CAN和CAN-FD

8、之间的主要区别在于灵活数据（FD）。在CAN-FD中，数据速率（即每秒传输的位数）比经典CAN快5X（仅数据有效载荷为10MbPs;为了兼容性，仲裁比特率仍限制为1Mbps）oCAN-FD中的消息有效负载大小从64字节的传统CAN大小增加到8字节。使用CANFD,传感器可以改变具有更大或更小有效载荷的数据速率。与现代工厂中的传统CAN相比，更快的数据速度和更大的有效载荷容量带来了许多系统级操作优势。4. CAN通信一基础知识CAN通信由两个主要组件组成：(a)CAN控制器和(b)CAN收发器，如图1所示。图1单个CAN节点CAN控制器处理CAN通信的数据链路层，而CAN收发器处理物理层。稍后让

9、我们简要介绍一下CAN收发器物理。在CAN协议中，逻辑O称为显性位，逻辑1称为隐性位。由于CAN是一种差分协议，因此CANH和CAN1之间的电压差决定了发送和接收信号的逻辑电平。如果CANH-CAN1电压大于1.5V,CAN接收器将该位识别为逻辑Oo然而,如果CANH-CAN1电压小于200mV,CAN接收器将该位识别为逻辑1。图2显示了CAN收发器TXD引脚上数字逻辑1和逻辑0位的连续传输，以及CANH和CAN1引脚上的等效CAN总线电平。根据CANH和CAN1电压之间的差异，接收器在RXD引脚上环回信号。图2CAN协议物理层现在让我们看一下CAN数据链路层，它为该比特流的受控传输制定了数据

10、帧。它还有助于错误检测和总线争用解决。图3显示了标准CAN帧格式。S0FI1-BitIdentifierRTRIDErD1C0.8BytesDataCRCACKE0FIFSS0FIVBitIdentifierSRRIDEW-BitIdentifierRTRrirD1C0.8BytesDataCRCACKE0FIFS图3CAN协议数据链路层每个节点都以帧开始(SOF)开始数据帧，这是第一个显性位。11位标识符是每个节点的唯一地址。IDE指示帧格式。此位字段中的逻辑0表示标准CAN格式，而此位字段中的逻辑1表示扩展CAN格式。r是保留位。D1C字段指示要传输的数据字节数。在标准CAN2.0帧中，最

11、多可以传输8个字节。接收节点通过在总线上发送主位来确认该数据帧。最后，帧结束(EOF)是一个隐性位，它标志着一个数据帧的结束。大多数情况下，在选择CAN收发器时，客户通过函数发生器在CAN收发器的TXD引脚上发送位流来评估CAN收发器。虽然这种方法非常适合评估单节点CAN,但在开发多节点、远间距CAN系统时似乎存在缺陷。因此，新的CAN控制器和收发器测试对于为您的系统选择合适的CAN收发器是必要的。这种方法背后的原因是什么？5.仲裁方法这种系统级测试方法的主要原因是CAN协议的仲裁功能。如果两个节点尝试同时占用总线，则通过非破坏性的逐位仲裁实现访问。将第一个标识符位作为零（主导）发送的节点，而

12、其他节点发送一个标识符位（隐性），保留对CAN总线的控制，CAN总线继续完成其消息。图4显示了两个节点之间的仲裁方案。图42节点系统中的CAN仲裁在此图中，节点1和节点2通过CAN总线相互连接。因此CANH和CAN1信号对于两个节点都是通用的。TXD1和RXD1是节点1的信号,而TXD2和RXD2是节点2的信号。如您所见，节点1和节点2的前三位是相同的：分别为1、O和1。节点2的第四位是1,而节点1是0。由于节点1具有主导位，因此它将赢得仲裁并继续发送完整的消息。消息由节点2确认。节点1完成传输后，节点2开始发送消息。节点1确认此消息。每个节点都有一个唯一的标识符ID。因此，此11位标识符ID

13、用于仲裁过程。这些位将由控制器读回，以识别消息传输的优先级。在CAN-FD中，仲裁比特率可以保持与数据比特率相同或不同。在CAN2.0中，仲裁和数据比特率是相同的。在传统的CAN2.0系统中，有时比特率会从标准的CAN2.0建议的1Mbps提高，以实现更快的数据传输。在CAN-FD系统中，仲裁比特率限制为IMbPS数据速率，数据比特率最高可达10Mbpso在仲裁阶段（包括11位标识符和SOF位），每个传输的位都会被读回以进行同步。CAN节点在CAN总线上观察到的边沿上同步，但总线上的信号传播时间会在节点之间引入相移。CAN的介质访问控制无损仲裁机制要求任意两个节点之间的相移小于一位时间的一半。

14、标称位时间的下限定义了标称比特率和总线长度的上限。因此，RXD的上升时间和下降时间，CAN收发器的环路延迟以及电缆都进入了画面。在较高的比特率（例如IOMbPS）下，传播延迟和上升时间/下降时间需要小于50ns0因此，CAN-FD中的仲裁比特率限制为IMbPs,从而允许为许多可能的节点的同步提供更高的裕量。然而，CAN-FD是新的，尚未在所有CAN系统中实施。在某些情况下，CANFD控制器不可用，或者被认为是系统中昂贵的附加功能，因此客户继续使用标准CAN控制器。在这些系统中，CAN节点需要以更高的比特率（22MbPS）进行通信，因为关键的传感器信息以及节点之间的电缆长度可能更短。在这种情况下

15、，上升时间/下降时间对称性和收发器的传播延迟可能会限制允许的数据通信的上限。6.CAN收发器需要进行系统级测试让我们以CAN收发器MAX33012E为例，该收发器已通过13米电缆测试，速度高达3.20MbPSo如您所见，在图5中，TXD2位宽为75ns（对应于13.3Mbps）,102位宽为72底由于控制器以TXD位宽的80%采样，因此所需的最小RXD位宽（包括上升时间/下降时间和RXD的环路延迟）为60ns。在图5中，您可以看到接收的位宽为72ns。因此，MAX33012E满足条件，并且足够鲁棒，可以在更高的比特率下工作。在这种情况下，CAN控制器不会检测到任何错误，并继续执行数据通信。图5MAX33012ECAN数据传输图6显示了竞争器件的示波器照片，该器件也以13.3MbPS的速度进行了测试。对于该器件，传输的位宽为75ns(对应于13.3Mbps),接收的位宽小于传输位宽(8OnS)的48%。因此，仲裁阶段的位传输失败，导致通信错误，最后系统停止工作。图6竞争对手的CAN数据传输这些类型的数据传输错误只能通过执行完整的系统级测试来发现，其中包括多个CAN控制器，CAN收发器和一根长电缆。7.结论CAN收发器的系统级测试有助于揭示系统中未来可能存在的数据传输问题。通过评估具有CAN控制器和电缆的CAN收发器，可以避免这些问题，以满足