劉士寶，何烈炎，孫小雨，黃光健

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

局域控制網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）由于其可靠性高、成本優(yōu)勢和實時性高的特點，應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如汽車行業(yè)、工業(yè)控制、航空航天和過程工業(yè)等，是低速控制領(lǐng)域常用的通信協(xié)議。而隨著近些年各行業(yè)的發(fā)展，尤其是汽車網(wǎng)聯(lián)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和電氣化的需求，越來越多的功能被應(yīng)用到汽車領(lǐng)域中，更多的數(shù)據(jù)要求在 CAN網(wǎng)絡(luò)中傳輸。由于經(jīng)典CAN總線的最高傳輸速率為1Mbit/s，通信數(shù)據(jù)大量增加使總線負(fù)載率急劇增大以致造成網(wǎng)絡(luò)擁堵，影響信息傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性。為了解決傳統(tǒng) CAN面臨的問題，2011年由博世主導(dǎo)推出具有更高傳輸速率和更大數(shù)據(jù)場長度的可變數(shù)據(jù)速率局域控制網(wǎng)絡(luò)（CAN with Flexible Data-Rate，CANFD），CANFD的最高傳輸速率超過8Mbit/s，為新功能的拓展提供了基礎(chǔ)。

隨著傳輸速率的提高，CANFD的位長更小，對于干擾的容錯能力更低，對于信號質(zhì)量要求越高。在實際的應(yīng)用過程中，復(fù)雜CANFD網(wǎng)絡(luò)中的通信如果不做相應(yīng)的研究、測試和調(diào)整，將難以保證通信的可靠性和魯棒性。

另外，在總線通訊中收發(fā)器自身的對稱性、總線拓?fù)渥陨淼奈锢韺傩浴囟仍?、微控制器與收發(fā)器之間的接口、線路反射等均會對物理層的非對稱性延遲產(chǎn)生影響。物理層的非對稱性延遲降低了通信信號質(zhì)量，在高通訊速率網(wǎng)絡(luò)中容易引起采樣錯誤，導(dǎo)致通訊錯誤。實際設(shè)計中影響物理層的非對稱性延遲的因素均難以達到理想要求。

基于上述原因，十分有必要對通信信號質(zhì)量進行評估和測試，以進一步指導(dǎo)實際設(shè)計。為達到該目的，本文對CANFD通信中通信信號質(zhì)量的影響因素進行了分析，量化了時鐘容差、收發(fā)器的非對稱性、印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）等因素對通信信號質(zhì)量的影響程度，提出通過振鈴穩(wěn)定點與采樣點的漂移范圍的關(guān)系對信號的可靠性進行評估的測試方法。在此基礎(chǔ)上，按照此方法對實際的CANFD網(wǎng)絡(luò)中的通信進行測試，并根據(jù)測試結(jié)果提出改善方案。

1 信號質(zhì)量的影響因素分析

對于CANFD網(wǎng)絡(luò)中，信號質(zhì)量的評估，關(guān)鍵點在于考慮各種因素的情況下，位的采樣點應(yīng)落在該位值的可識別范圍內(nèi)，如此可保證采樣的正確性。如下圖1展示了一個隱性位的采樣點的有效范圍。

圖1 采樣點有效范圍

由于CANFD收發(fā)器的物理特性，從隱形到顯性的沿收發(fā)器可有效控制，但是從顯性到隱形的沿收發(fā)器無法有效控制，會導(dǎo)致顯性位延遲，隱性位縮短，并且產(chǎn)生振鈴。同時由于 CAN協(xié)議的填充規(guī)則，可能出現(xiàn)的最長的連續(xù)顯性位為5比特。綜上，跳變沿偏差最嚴(yán)重的情形是連續(xù)5個顯性位后的顯性到隱性的跳變沿。

根據(jù)文獻[1]的定義，CANFD差分波形中，顯性電壓的范圍為0.9 V～8.0 V，隱性電壓的范圍為-3.0 V～0.5 V[1]?？紤]振鈴影響，結(jié)合上文中的最差工況分析，如下圖，起始于連續(xù)5個顯性位的首位的隱性到顯性跳變沿與0.9 V電壓線的交點，結(jié)束于5個連續(xù)顯性位后的隱性位中振鈴波形與0.5 V線的最后一個交點的時間間隔稱為振鈴穩(wěn)定時間，振鈴波形與0.5 V線的最后一個交點稱為振鈴穩(wěn)定點，如圖2。采樣點必須在振鈴穩(wěn)定點之后才能保證采樣的正確。

評估采樣點是否合理，其關(guān)鍵在于保證振鈴穩(wěn)定點落在采樣點的波動范圍之前。故本文的重點在于評估振鈴穩(wěn)定點與采樣點位置的相對位置關(guān)系。為方便表述，以下以采樣點相對振鈴穩(wěn)定點的波動范圍描述兩者的偏差。

圖2 振鈴穩(wěn)定點與采樣點波動范圍

在不考慮電磁干擾等突發(fā)因素的影響的情況下，采樣點的位置受時鐘容差、拓?fù)?、位定時參數(shù)、收發(fā)器類型、接口電路、線束性能和溫度等因素的影響，本文在位定時參數(shù)、傳輸速率、溫度和物理拓?fù)湎嚓P(guān)參數(shù)等已確定的工況下，討論振鈴穩(wěn)定點與采樣點位置波動范圍的關(guān)系。由于報文自發(fā)自收和非自發(fā)自收時采樣點和時鐘偏差等因素，以下分自發(fā)自收和非自發(fā)自討論。

以標(biāo)稱數(shù)據(jù)波特率為2 Mbps，時鐘頻率為40 Mhz，標(biāo)稱采樣點位置為70%為例，標(biāo)稱第二采樣點為65%，計算采樣點位置波動范圍。

1.1 時鐘容差影響

非自發(fā)自收時，根據(jù)文獻[2]的要求，CANFD時鐘容差要求為±0.3%[2]。

當(dāng)發(fā)送節(jié)點的時鐘容差為-0.3%，接收節(jié)點的時鐘容差為+0.3%時，采樣點相對振鈴穩(wěn)定點有最大的向左偏移：

式中，SOSC.L為時鐘容差導(dǎo)致的采樣點相對振鈴穩(wěn)定點向左的偏移量，tbit為標(biāo)稱數(shù)據(jù)段位時間，dfMax為時鐘容差的最大值，為0.3%，SP為標(biāo)稱采樣點位置，70%。

當(dāng)發(fā)送節(jié)點的時鐘容差為+0.3%，接收節(jié)點的時鐘容差為-0.3%時，采樣點相對振鈴穩(wěn)定點有最大的向右偏移：

式中，SOSC.R為時鐘容差導(dǎo)致的采樣點相對振鈴穩(wěn)定點向右的偏移量，tbit為標(biāo)稱數(shù)據(jù)段位時間，dfMax為時鐘容差的最大值，0.3%，SP為標(biāo)稱采樣點位置，70%。

自發(fā)自收時，發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點是同一節(jié)點，所以不存在時鐘容差引起的采樣點位置偏差。

1.2 收發(fā)器影響

在發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點，由于收發(fā)器的非對稱性，將導(dǎo)致圖1中的5個連續(xù)顯性位后的下降沿的向左或向右的偏移，同樣會引起振鈴穩(wěn)定點的偏移。如圖3展示了收發(fā)器非對稱性引起的隱性位位長變化。

圖3 收發(fā)器非對稱性影響

根據(jù)文獻[1]，非自發(fā)自收時，收發(fā)器非對稱性引起的采樣點相對振鈴穩(wěn)定點向左最大偏移[1]：

式中，STran.L為非自收自發(fā)時收發(fā)器引起的采樣點相對振鈴穩(wěn)定點向左最大偏移。

采樣點相對振鈴穩(wěn)定點向右最大偏移：

式中，STran.R為非自收自發(fā)時收發(fā)器引起的采樣點相對振鈴穩(wěn)定點向右最大偏移。

自發(fā)自收時，收發(fā)器非對稱性引起的采樣點相對振鈴穩(wěn)定點向左最大偏移：

式中，S′Tran.L為自收自發(fā)時收發(fā)器引起的采樣點相對振鈴穩(wěn)定點向左最大偏移。

采樣點相對振鈴穩(wěn)定點向右最大偏移：

式中，S′Tran.R為自收自發(fā)時收發(fā)器引起的采樣點相對振鈴穩(wěn)定點向右最大偏移。

1.3 PCB影響

實際應(yīng)用中可能存在MCU和收發(fā)器之間應(yīng)用電氣隔離的方案，故需要考慮其對于 CAN邊沿偏移的影響。且自發(fā)自收和非自發(fā)自收時，該因素的影響是相同的。根據(jù)文獻[3]的要求，該參數(shù)可導(dǎo)致采樣點相對振鈴穩(wěn)定時間向左偏移和向右偏移[3]：

式中，SPCB.L和SPCB.R分別為非自收自發(fā)時PCB導(dǎo)致的采樣點相對振鈴穩(wěn)定點的向左和向右的最大偏移，S′PCB.L和S′PCB.R分別為自收自發(fā)時PCB導(dǎo)致的采樣點相對振鈴穩(wěn)定點的向左和向右最大偏移，tPCB.Delay為控制器到收發(fā)器之間器件引起的非對稱延遲，為5 ns。

1.4 位分片的影響

非自發(fā)自收時，同步的特性使得接收節(jié)點最大可能相對發(fā)送節(jié)點偏移1個位分片時間，導(dǎo)致采樣點相對振鈴穩(wěn)定時間向左偏移：

式中，STq.L為非自收自發(fā)時位分片導(dǎo)致的采樣點相對振鈴穩(wěn)定時間向左最大偏移，ttq為位分片時間長度。

采樣點相對振鈴穩(wěn)定點向右最大偏移：

式中，STq.R為非自收自發(fā)時位分片導(dǎo)致的采樣點相對振鈴穩(wěn)定時間向右最大偏移。

自發(fā)自收時，不需要同步，故位分片對自發(fā)自收工況下的采樣點波動范圍無影響。

綜上，非自發(fā)自收時，采樣點相對振鈴穩(wěn)定時間的向左偏移：

式中，SL為非自收自發(fā)時位各種因素導(dǎo)致的采樣點相對振鈴穩(wěn)定時間向左最大偏移。

采樣點相對振鈴穩(wěn)定時間的向右有偏移：

式中，SR為非自收自發(fā)時位各種因素導(dǎo)致的采樣點相對振鈴穩(wěn)定時間向右最大偏移。

所以采樣點落在自 5個連續(xù)顯性位起始后的 2668.88～2946.19 ns范圍內(nèi)。相對振鈴穩(wěn)定點的采樣點位置波動范圍如下圖4。

圖4 節(jié)點不同收發(fā)時的采樣點波動范圍

自發(fā)自收時，采樣點相對振鈴穩(wěn)定時間的向左偏移：

式中，S′L為自收自發(fā)時各種因素導(dǎo)致的采樣點相對振鈴穩(wěn)定時間向左最大偏移。

采樣點相對振鈴穩(wěn)定時間的向右有偏移：

式中，S′R為自收自發(fā)時各種因素導(dǎo)致的采樣點相對振鈴穩(wěn)定時間向右最大偏移。

所以采樣點落在自5個連續(xù)顯性位起始后的2740～2910 ns范圍內(nèi)。相對振鈴穩(wěn)定點的采樣點位置波動范圍如下圖5。

圖5 自發(fā)自收時采樣點波動范圍

2 信號質(zhì)量測試方法

2.1 測試方法

根據(jù)上述的通信質(zhì)量影響因素分析，對如下表1中參數(shù)的拓?fù)溥M行測試。

表1 拓?fù)鋮?shù)

在室溫下，該CANFD網(wǎng)絡(luò)進行信號質(zhì)量評估的測試。該網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點1和節(jié)點6位于網(wǎng)絡(luò)的兩端，為終端節(jié)點，如下圖6。

圖6 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

上述網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點兩兩通信時，分別在接收節(jié)點的差分總線上測試振鈴穩(wěn)定時間，測量位置如圖6所示。測試結(jié)果如表2所示。

圖7 測量位置

2.2 評估標(biāo)準(zhǔn)選取

因在實際的網(wǎng)絡(luò)測試中，振鈴穩(wěn)定時間的測試結(jié)果中也包含發(fā)送節(jié)點收發(fā)器的非對稱帶來的偏差，為避免重復(fù)計算該偏差，在選取評估振鈴穩(wěn)定時間通過標(biāo)準(zhǔn)時應(yīng)當(dāng)對此進行補償。

補償值的測試圖如圖8所示，兩個節(jié)點點對點連接，且總線線束盡可能端。分別在兩個節(jié)點的差分總線上測量5個連續(xù)顯性位后的1個隱性位長度。該隱性位位長與標(biāo)稱位時間的偏差可視為發(fā)送節(jié)點收發(fā)器非對稱引起的偏差，即為補償值。測試拓?fù)鋮⒖紙D8。

根據(jù)實際測量結(jié)果，補償值為：

圖8 補償值測試拓?fù)?/p>

綜上，CANFD的通信信號質(zhì)量符合要求的條件如下：

式中，tSettle.Max為非自發(fā)自收時的振鈴穩(wěn)點時間的最大值，t’Settle.Max為自發(fā)自收時的振鈴穩(wěn)定時間的最大值，SPScd為標(biāo)稱第二采樣點位置。

補償值由SComp節(jié)點的收發(fā)器決定，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有不同型號的收發(fā)器時，裝配不同收發(fā)器節(jié)點的收發(fā)關(guān)系下有不同的補償值，需按照同樣的方法測試各收發(fā)關(guān)系的補充值，并將用于計算振鈴穩(wěn)定時間的最大值。這種情況下，存在多種不同的振鈴穩(wěn)點時間最大值。

對圖5中的CANFD網(wǎng)絡(luò)進行測試，測試結(jié)果如下表2，深色底色部分為測試不通過項。

表2 CANFD網(wǎng)絡(luò)測試信號質(zhì)量測試結(jié)果

2.3 測試結(jié)果分析及改善方法

從上述測試結(jié)果中可得出，節(jié)點1自發(fā)自收、節(jié)點3發(fā)送節(jié)點1接收等6處測試不通過。通過結(jié)果可以得出，在其他條件不變的情況下，一個總線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)同一端的節(jié)點之間相互通信時，易出現(xiàn)振鈴穩(wěn)定時間長問題。所以在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，網(wǎng)絡(luò)兩端的節(jié)點的設(shè)計應(yīng)更謹(jǐn)慎，留有更多的設(shè)計余量。

上述測試示例只在常溫下進行，需在高低溫下工況進行同樣的測試。同時，可結(jié)合長時間的錯誤率測試，充分驗證全工況、長時間下CANFD網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。

為使上述CANFD網(wǎng)絡(luò)中的通信質(zhì)量符合要求，需對網(wǎng)絡(luò)或節(jié)點進行改進?？蓮膬煞矫嬷帧Ｆ湟?，改善拓?fù)湎嚓P(guān)的參數(shù)，如調(diào)整問題節(jié)點的分支線長度，使從遠(yuǎn)端反射的振鈴相互抵消，從而減少振鈴穩(wěn)定時間；或者選擇更好線束，如非PVC絕緣層材質(zhì)的線束，可提高全溫度范圍內(nèi)的特性阻抗的穩(wěn)定性；或者調(diào)整節(jié)點在拓?fù)渲械奈恢?，使性能更差的?jié)點位于網(wǎng)絡(luò)的中端，減少振鈴穩(wěn)定時間。其二，改善采樣點波動范圍相關(guān)的參數(shù)，如采用更高速率或支持振鈴抑制的收發(fā)器，如支持5 Mbit/s傳輸速率的收發(fā)器，其具有更好的非對稱性能是可接受的振鈴穩(wěn)定時間增加40 ns；或者取消電偶隔離、使用更高精度或更高頻率的時鐘等，使采樣點波動范圍更窄，以允許更長的振鈴穩(wěn)定時間。

3 結(jié)論

本文對 CANFD通信信號質(zhì)量進行影響分析和量化評估，確定信號質(zhì)量的評估標(biāo)準(zhǔn)，建立相應(yīng)的測試方法，并根據(jù)測試結(jié)果提出改善方案。該方法可對任何類型的 CANFD網(wǎng)絡(luò)進行評估和測試，有效驗證CANFD網(wǎng)絡(luò)的可靠性和魯棒性。