利用普源示波器搞懂汽車CAN-FD總線技術(shù)

    　隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)總線上的數(shù)據(jù)量逐日增長，尤其是在CAN總線運(yùn)用較多的汽車領(lǐng)域，總線通訊的數(shù)據(jù)量愈發(fā)龐大。例如汽車內(nèi)部出現(xiàn)更多的輔助系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)，使得傳統(tǒng)的CAN總線在傳輸速率和帶寬方面越來越力不從心，CAN總線已逐漸達(dá)到負(fù)荷極限。根據(jù)CAN規(guī)范 ISO11898-2所定義的標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)，一幀報(bào)文最大只能傳輸 64 位(8 個(gè)字節(jié))的數(shù)據(jù)，在最好的情況下總線負(fù)載也已達(dá)到 70%左右。 為了應(yīng)對(duì)現(xiàn)今巨大數(shù)據(jù)量的挑戰(zhàn)，亟需改進(jìn)原有的總線來提高總線傳輸速率，CAN-FD (CAN with Flexible Data-Rate)便在這樣的背景下誕生了。

　　一、汽車CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

　　下圖舉例了一個(gè)汽車CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。從中可以看到，CAN 網(wǎng)絡(luò)由CAN節(jié)點(diǎn)及不同的CAN總線構(gòu)成，CAN節(jié)點(diǎn)主要由CPU、CAN控制器以及CAN收發(fā)器組成，而不同的CAN總線上布置有不同功能的智能電子控制單元(ECU)

　　二、OSI協(xié)議棧模型參考

　　CAN協(xié)議涵蓋了ISO規(guī)定的OSI基本參照模型中的傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層及物理層。CAN協(xié)議的關(guān)于ISO/OSI基本參照模型中的數(shù)據(jù)鏈路層分為MAC子層和LLC子層，MAC子層是CAN協(xié)議的核心部分。數(shù)據(jù)鏈路層的功能是將物理層收到的信號(hào)組織成有意義的消息，并提供傳送錯(cuò)誤控制等傳輸控制的流程。具體地說，就是消息的幀化、仲裁、應(yīng)答、錯(cuò)誤的檢測或報(bào)告。數(shù)據(jù)鏈路層的功能通常在CAN控制器的硬件中執(zhí)行，并在物理層定義了信號(hào)實(shí)際的發(fā)送方式、位時(shí)序、位的編碼方式及同步的步驟。但信號(hào)電平、通信速度、采樣點(diǎn)、驅(qū)動(dòng)器和總線的電氣特性、連接器的形態(tài)等均未定義，必須由用戶根據(jù)系統(tǒng)需求自行確定。

　　三、CAN-FD 簡介

　　1、CAN-FD 數(shù)據(jù)幀幀格式

　　CAN-FD采用了兩種位速率，從控制場中的BRS位到ACK場之前 (含CRC分界符)為可變速率，其余部分為原CAN總線用的速率。CAN-FD數(shù)據(jù)幀格式如下圖所示：

　　2、CRC場

　　CAN總線由于位填充規(guī)則對(duì)CRC的干擾，會(huì)造成錯(cuò)幀漏檢率，從而無法達(dá)到設(shè)計(jì)意圖。CAN-FD對(duì)CRC算法作了改變，即CRC以含填充位的位流進(jìn)行計(jì)算。為避免在校 驗(yàn)和部分出現(xiàn)6個(gè)以上連續(xù)位，即在第一位以及以后每4位添加一個(gè)填充位加以分割。這個(gè)填充位的值是上一位的反碼，作為格式檢查，即如果填充位不是上一位的反碼，就作出錯(cuò)處理。

　　CAN-FD的CRC 場擴(kuò)展到了21位。由于數(shù)據(jù)場長度有很大變化區(qū)間，所以要根據(jù) DLC大小應(yīng)用不同的CRC生成多項(xiàng)式。如CRC_17，適合于幀長小于210位的幀，而CRC_21，適合于幀長小于1023位的幀。DLC編碼CAN-FD數(shù)據(jù)幀采用了新的 DLC 編碼方式，在數(shù)據(jù)場長度在0~8個(gè)字節(jié)時(shí)，采用線性規(guī)則。當(dāng)數(shù)據(jù)場長度為 12~64 個(gè)字節(jié)時(shí)，使用非線性編碼。如圖5所示

　　3、CAN-FD 總線的特點(diǎn)：

　　以差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，擁有出色的抗噪性能。 l

　　所有節(jié)點(diǎn)沒有主從之分，總線空閑時(shí)，任意節(jié)點(diǎn)都可向總線發(fā)送消息。 l

　　非破壞性位仲裁機(jī)制，用信息內(nèi)的標(biāo)識(shí)符ID決定信息發(fā)送優(yōu)先順序，保證已發(fā) 送數(shù)據(jù)的完整性與及時(shí)性。 l

　　繼承自CAN總線的CAN-FD總線上的節(jié)點(diǎn)沒有“地址”的概念，因此在總線上增加節(jié)點(diǎn)時(shí)，不會(huì)對(duì)總線上已有節(jié)點(diǎn)的軟硬件及應(yīng)用層造成影響。 l

　　可以配合網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，系統(tǒng)的機(jī)能設(shè)定通信素速度，此外兩條不同通信速度總線 上的節(jié)點(diǎn)可通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)信息交互。

　　具有容錯(cuò)處理功能，所有的節(jié)點(diǎn)都可以檢測出錯(cuò)誤，檢測出錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)會(huì)立即通 知總線上其它所有的節(jié)點(diǎn);正在發(fā)送消息的節(jié)點(diǎn)，如果檢測到錯(cuò)誤，會(huì)立即停止 當(dāng)前的發(fā)送，并同時(shí)不斷地重復(fù)發(fā)送此消息，直到該消息發(fā)送成功為止。 l

　　能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求，通過發(fā)送“遙控幀”請求其他單元發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　4、CAN-FD 總線分析對(duì)示波器的需求

　　在CAN-FD總線解析過程中，需要觀測系統(tǒng)噪聲對(duì)總線信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀⑴袛嗫偩€報(bào)錯(cuò)時(shí)是否由于硬件造成的以及軟件編程的正確性。這對(duì)示波器的總線解析能力提出了更多的需求：

　　·擁有高速采樣率，清晰捕捉和顯示串行模擬信號(hào)并觀測其物理特性。

　　·擁有較大存儲(chǔ)深度，記錄較長時(shí)間的總線控制過程。

　　·豐富的觸發(fā)功能及高波形捕獲率，捕獲到錯(cuò)誤并對(duì)應(yīng)捕獲波形發(fā)掘問題根因。

　　·靈活的屏幕多窗口分屏顯示，同步顯示解碼結(jié)果與列表結(jié)果，方便觀測總線數(shù)據(jù)信息。 

　　·具有多路總線分析功能，滿足同時(shí)分析多路CAN節(jié)點(diǎn)的需要。

　　串行總線通信在汽車等各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于汽車制造，從制動(dòng)系統(tǒng)到車輛導(dǎo)航系統(tǒng)，總線無處不在。要確保正常的車輛性能，保證電子控制單元(ECU)、傳感器和執(zhí)行器之間的通信尤為重要。除了驗(yàn)證總線協(xié)議的數(shù)字邏輯之外，還需要對(duì)波形質(zhì)量、噪聲以及傳感器/執(zhí)行器信號(hào)的同步測量進(jìn)行模擬物理層驗(yàn)證。

　　RIGOL 自主研發(fā)的 DS70000 示波器獨(dú)特的總線分析功能具有突出的優(yōu)勢：

　　·擁有高采樣率，基于RIGOL的“鳳凰座”示波器專用芯片組，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)最高的 20GSa/s 采樣率、5GHz 實(shí)時(shí)帶寬，更真實(shí)捕捉并還原信號(hào)。 

　　·擁有更大存儲(chǔ)深度，基于RIGOL新一代UltraVision III 平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)最大2Gpts 的存儲(chǔ)深度，在高采樣率下采集更長時(shí)間的波形，滿足長時(shí)間觀測的要求。

　　·擁有豐富的觸發(fā)功能，以及可達(dá)每秒1百萬次的波形刷新率，更容易捕獲偶發(fā)的信號(hào)瑕疵。

　　·具有強(qiáng)大的串行總線分析功能，支持多種主流串行總線，如 RS232/UART、I2C、 SPI、LIN、CAN、CAN-FD 、FlexRay、I2S、MIL-STD-1553 等。 

　　·解碼結(jié)果列表顯示，解碼總線上每個(gè)幀信息，包括地址、數(shù)據(jù)、標(biāo)識(shí)符等，支 持屏幕窗口列表顯示所有幀的分析結(jié)果，并可導(dǎo)出測試報(bào)告。

　　5、CAN-FD 總線解碼分析測試步驟

　　在實(shí)際設(shè)計(jì)場景中，工程師可以通過協(xié)議分析輕松地發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、調(diào)試硬件、加快開發(fā)進(jìn)度，為高速度、高質(zhì)量完成工程提供保障。

　　而協(xié)議分析的基礎(chǔ)是協(xié)議解碼，只有解碼正確的協(xié)議分析才能夠被接受，只有正確的 解碼才能提供更多的錯(cuò)誤信息以供工程師進(jìn)行功能調(diào)試與設(shè)計(jì)改進(jìn)。

　　DS70000示波器支持CAN-FD的解碼分析，并可實(shí)現(xiàn)4路總線分析，圖6為 DS70000示波器CAN-FD解碼設(shè)置界面示意圖。

　　① 該選項(xiàng)可選擇解碼協(xié)議類型，支持 CAN-FD 解碼分析，此外可選擇 SPI、FlexRay、 I2S、1553B 等多種協(xié)議選項(xiàng)進(jìn)行解碼分析；

　　② 此處可以選擇打開或關(guān)閉總線解碼開關(guān)；

　　③ 此處為信源選項(xiàng)，可以設(shè)置信源的閾值和類型；

　　④ 此處信號(hào)速率選項(xiàng)，支持 CAN 和 CAN-FD 不同的信號(hào)速率，并可設(shè)置期望的采樣位置。

　　DS70000系列示波器擁有簡便的解碼設(shè)置操作界面，為工程師提供高效的測試工具。更多關(guān)于普源示波器的信息，歡迎咨詢安泰測試。