如何使用正确的示波器简化 CAN 总线网络测试

来源：Digi-Key
作者：Art Pini

车载网络 (IVN) 能够让微控制器和发动机控制单元 (ECU) 处理器与传感器、执行器、指示器、显示器之间实现相互通信。控制器区域网络 (CAN) 总线便是经典的 IVN 之一。CAN 问世至已有近三十年，并且仍在继续发展。

正如 ISO11898 标准中描述的那样，经典 CAN 总线的数据速率高达 1 Mbps，并使用单根双绞线处理中等带宽需求。CAN 总线像所有有源网络一样将继续发展以满足行业需求。例如，CAN 灵活的数据速率 (CAN FD) 将数据率提高到 5 Mbps。最新的 CAN 标准是超长 CAN (CAN XL)，其运行速度可达 10 Mbps 或更高；且两者都向后兼容传统 CAN。

CAN 网络的物理层 (PHY) 布线由 CAN 节点之间的双绞线完成（图 1）。


图 1：CAN 网络采用端接式双绞线布线，且节点采用垂线连接方式。每个节点都有一个 CAN 收发器和一个具有 CAN 控制器功能的微控制器单元 (MCU)。（图片来源：Texas Instruments）

CAN 网络的总线布线要求在总线两端分别端接 120 Ω 电阻器，以最大限地度减少反射。总线速率取决于 CAN 的具体实施，并受到网络实际长度的影响。网络越长，能支持的最大数据速率就越低。1 Mbps 的数据率适合 40 m 或更短的网络长度。

在通信过程中，使用双绞线中的两根线实现差分，指定为 CANH 和 CANL：要在端接双绞线的 60 Ω 差分负载上实现 1.5 V 差分信号，需要使用 CAN 收发器驱动器。信号电平被称为显性电平和隐性电平。显性电平（“1”）具有大于或等于 0.9 V 的差分电压。隐性电平（“0”）具有小于 0.5 V 的差分电压（图 2）。


图 2：所示为 CAN 总线 CANH 和 CANL 导线的差分信号定义。（图片来源：Texas Instruments）

总线驱动器能够自动将总线驱动到显性状态，而返回到隐性状态则依赖于通过端接进行的电阻放电。它还允许显性位覆盖隐性位状态。此功能用于确认和总线仲裁。

测试 CAN 总线

可用示波器测试 CAN 总线的 PHY。确保示波器和相关探头的带宽大约是串行数据信号的时钟速率的 5 倍。如果考虑整个的 CAN 总线数据速率范围，那么 CAN XL 的数据字段的最大速率是 20 Mbps。这表明我们应该使用一个带宽超过 100 MHz 的示波器。让我们选用 Teledyne LeCroy 的 HDO4024A 示波器。这是一款带宽为 200 MHz 的四通道示波器。

连接 CAN 总线

用探头将示波器与 CAN 总线连接。可以用示波器附带的两个 10:1 高阻抗探头。这样，就可以查看差分组件，即 CANL 和 CANH。为了查看差分信号，使用示波器的差分数学函数，用 CANH 减去 CANL（图 3）。


图 3：CANH（顶部轨迹），CANL（中心轨迹）以及 CAN 差分信号（底部轨迹）。差分信号是用示波器的差分数学函数计算出来的。（图片来源：Teledyne LeCroy）

一个更好的方法是使用类似 Teledyne LeCroy ZD200 的差分探头。ZD200 的带宽为 200 MHz，差分电压范围为 ±20 V，共模电压范围为 ±60 V。该探头有两个输入：非反相 (+) 输入连接到 CANH，而反相输入 (-) 则连接到 CANL。因为我们使用的是差分探头，所以只需一个示波器通道（图 4）。这表示一个持续时间为 100 ms 的 CAN 信号，且包含大约 20 条信息。底部是一个水平扩展的缩放轨迹，显示了较长时间采集过程中的单条信息。


图 4：所示为一个持续时间为 100 ms 的 CAN 信号，通过差分探头采集了大约 20 条信息。水平扩展的缩放轨迹（底部）显示了较长时间采集过程中的单条信息。（图片来源：Art Pini）

差分探头的另一个优点是，能够削弱两个输入端共有的任何噪声或瞬态，从而提高测量信噪比 (SNR)。这在充满电噪声的车辆环境中尤为重要。

CAN 协议

CAN 总线信息遵守标准化协议，允许网络在需要时进行数据和指令寻址（图 5）。


图 5：CAN 协议提供了一个在总线上传输数据并验证其是否被接收的架构。该协议还提供错误检查。（图片来源：Texas Instruments）

在 CAN 总线方面，Teledyne LeCroy 示波器提供了一个让人喜欢的、非常有用的选项：CAN 和 CAN FD 触发和解码软件。HDO4K-CAN BUS TD 示波器软件适用于传统 CAN 网络，而 HDO4k-CAN FD TD 选项适用于 CAN FD 总线。利用这些选项，示波器可在出现特定的 CAN 消息内容时触发，包括消息 ID、ID 加数据内容、远程消息、错误事件或者所有消息。主要功能是对信息进行解码——就像一台协议分析仪（图 6）。


图 6：HDO4K-CAN BUS TD CAN 触发和解码选项会读取 CAN 信息，并以不同颜色覆盖这些信息，以显示不同的字段及其内容。（图片来源：Art Pini）

每个信息字段都通过覆盖特定的颜色及文本标签来识别。每条信息也被列在位于所显示波形下方的表格中。点击表格中的任何条目，相关的波形便在缩放轨迹中显示，以便仔细检查。

点击表格的标题，用户可以搜索或筛选该字段内符合特定条件的表格条目，并只显示需要的条目。例如，通过选择 ID 字段，只显示具有特定 ID 或特定 ID 范围的条目。

通过选择符号查看，示波器将使用行业标准的数据库 CAN (DBC) 文件，将十六进制字段条目转换成描述每个字段的纯语言文本（图 7）。


图 7：符号解码将原始十六进制数据转换成纯文本，以帮助解释 CAN 信息中包含的数据。（图片来源：Art Pini）

例如，扩展发动机冷却液的消息内容，以显示数据包括了冷却液温度、压力和液位信息。

解码选项还显示了填充位的存在。如果位序列包含五个或更多个相同状态的位，则控制器将会插入一个相反状态的填充位，以确保信号中有足够多的边沿来保持同步。这些填充位会被接收器移除，以确保数据内容正确无误。在前面两幅图中，用 SB 标签显示这些填充位。

结语

尽管 CAN 总线技术已经很成熟，但仍在不断发展和适应，以满足汽车工程师的需求。示波器也是如此。设计人员可以使用配有适当探头的示波器和可选的触发和解码软件，将其作为一种有效的工具来简化 CAN 总线网络的测试和故障查找。