本文解釋了評估控制器局域網（CAN）收發器的正確系統級測試方法。它通過展示在多節點can系統中執行從一個CAN節點到另一個CAN節點的數據傳輸時如何避免實際數據傳輸問題，解釋了為什么這種方法更優越。閱讀本文后，讀者將對CAN系統有更好的理解，并將能夠為特定的多節點CAN系統選擇正確的CAN收發器。

　　CAN是一種強大的通信標準，用于允許不同的傳感器、機器或控制器相互通信。CAN接口廣泛用于工業自動化、家庭自動化和汽車領域，因為它更加穩定，能夠有效處理總線爭用。

　　傳統CAN2.0提供8字節有效載荷，支持最高2 Mbps的數據速率。有時，2 Mbps的數據速率對于關鍵通信事件是不夠的，因此CAN.org提出了一種新的通信協議CAN-FD，允許高達10 Mbps的高數據速率通信。

　　CAN-FD靈活的數據速率

　　傳統CAN和CAN-FD的主要區別在于靈活數據（FD）。在CAN-FD中，數據速率（即每秒傳輸的位數）比傳統CAN快5倍（僅數據有效載荷為10 Mbps為了兼容性，仲裁比特率仍然被限制為1 Mbps）。CAN-FD中的消息有效載荷大小從傳統的8字節增加到64字節。

　　利用CAN-FD，傳感器可以根據更大或更小的有效載荷來改變數據速率。與現代工廠中的傳統CAN相比，更快的數據速度和更大的有效載荷容量帶來了許多系統級操作優勢。

　　CAN通信—基礎知識

　　CAN通信由兩個主要部件組成：（a）CAN控制器和（b）CAN收發器，如圖1所示。

　　圖一。單個CAN節點。

　　CAN控制器處理CAN通信的數據鏈路層，而CAN收發器處理物理層。稍后讓我們簡單了解一下CAN收發器的物理特性。

　　在CAN協議中，邏輯0稱為顯性位，邏輯1稱為隱性位。由于CAN是一種差分協議，CANH和CANL之間的電壓差決定了發送和接收信號的邏輯電平。如果CANH-CANL電壓大于1.5 V，CAN接收器會將該位識別為邏輯0。然而，如果CANH-CANL電壓低于200 mV，CAN接收器會將該位識別為邏輯1。圖2顯示了CAN收發器的TXD引腳上數字邏輯1和邏輯0位的連續傳輸，以及CANH和CANL引腳上的等效CAN總線電平。基于CANH和CANL電壓之間的差異，接收器在RXD引腳上回送信號。

　　圖二。CAN協議物理層。

　　現在讓我們來看看CAN數據鏈路層，它為該位流的受控傳輸制定了數據幀。它還有助于錯誤檢測和總線爭用解決方案。圖3顯示了標準CAN幀格式。

　　圖3。CAN協議數據鏈路層。

　　每個節點以幀起始（SOF）開始數據幀，這是第一個支配位。11位標識符是每個節點的唯一地址。IDE指示幀格式。該位域中的邏輯0表示標準CAN格式，而該位域中的邏輯1表示擴展CAN格式。r0是保留位。DLC字段指示要傳輸的數據字節數。在標準CAN2.0幀中，最多可以傳輸8個字節。接收節點通過在總線上發送主位來確認該數據幀。最后，幀尾（EOF）是一個隱性位，它標志著一個數據幀的結束。

　　大多數情況下，在選擇CAN收發器時，客戶通過函數發生器在CAN收發器的TXD引腳上發送位流來評估CAN收發器。雖然這種方法非常適合評估單節點CAN，但在開發多節點、遠距離CAN系統時，這種方法似乎存在缺陷。因此，新的CAN控制器和收發器測試是為您的系統選擇正確的CAN收發器所必需的。這種方法論背后的原因是什么？

　　仲裁方法

　　這種系統級測試方法的主要原因是CAN協議的仲裁特性。如果兩個節點試圖同時占用總線，則通過非破壞性的逐位仲裁來實現訪問。發送第一個標識符位為0（顯性）的節點，而其他節點發送1（隱性）的節點，保持對CAN總線的控制，繼續完成其消息。圖4顯示了兩個節點之間的仲裁方案。　

　　圖4。2節點系統中的CAN仲裁。

　　在該圖中，節點1和節點2通過CAN總線相互連接。因此，CANH和CANL信號是兩個節點共用的。TXD1和RXD1是節點1的信號，而TXD2和RXD2是節點2的信號。如您所見，節點1和節點2的前三位是相同的：分別為1、0和1。節點2的第四位是1，而節點1是0。由于節點1有一個支配位，它贏得了仲裁并繼續發送完整的消息。該消息由節點2確認。一旦節點1完成傳輸，節點2就開始發送消息。節點1確認該消息。

　　每個節點都有一個唯一的標識符ID。因此，這個11位標識符ID用于仲裁過程。這些位將由控制器回讀，以確定消息傳輸的優先級。在CAN-FD中，仲裁比特率可以與數據比特率保持相同或不同。在CAN2.0中，仲裁和數據比特率相同。

　　在傳統CAN2.0系統中，有時比特率會從標準CAN2.0推薦的1 Mbps提高，以實現更快的數據傳輸。在CAN-FD系統中，仲裁比特率限于1 Mbps數據速率，數據比特率最高可達10 Mbps。在仲裁階段，包括11位標識符和SOF位，每個發送的位都被回讀以實現同步。

　　CAN節點在CAN總線上觀察到的邊沿上同步，但總線上的信號傳播時間會在節點之間引入相移。CAN用于媒體訪問控制的非破壞性仲裁機制要求任意兩個節點之間的相移小于一位時間的一半。標稱比特時間的下限定義了標稱比特率以及總線長度的上限。因此，RXD的上升時間和下降時間、CAN收發器的環路延遲以及電纜都會出現。在更高的比特率下，例如10 Mbps，傳播延遲和上升時間/下降時間需要小于50 ns。

　　因此，CAN-FD中的仲裁比特率限制為1 Mbps，允許許多可能節點的同步有更高的裕量。然而，CAN-FD是一種新技術，尚未在所有CAN系統中實施。在某些情況下，CAN-FD控制器不可用，或者被認為是系統的一個昂貴的附加物，因此客戶繼續使用標準CAN控制器。在這些系統中，由于關鍵的傳感器信息和節點之間可能較短的電纜長度，CAN節點需要以更高的比特率（》 2 Mbps）進行通信。在這種情況下，收發器的上升時間/下降時間對稱性和傳播延遲可能會限制可允許的數據通信的上限。

　　CAN收發器需要進行系統級測試

　　讓我們以CAN收發器為例MAX33012E，在20米長的電纜上的測試速度高達13.3 Mbps。如圖5所示，TXD2位寬為75 ns（對應13.3 Mbps），RXD2位寬為72 ns。當控制器以80%的TXD位寬采樣時，包括RXD上升時間/下降時間和環路延遲在內的最小RXD位寬為60 ns。在圖5中，可以看到接收的位寬為72 ns。因此，MAX33012E滿足條件，并且足夠穩定，可以在更高的比特率下工作。在這種情況下，CAN控制器不會檢測到任何錯誤，并繼續執行數據通信。

　　圖5。一個MAX33012E可以傳輸數據。

　　圖6顯示了競爭產品的示波器截圖，也是以13.3 Mbps的速率測試的。該器件的發送位寬為75 ns（相當于13.3 Mbps），接收位寬小于發送位寬的80%（48 ns）。于是，仲裁階段位傳輸失敗，導致通信出錯，最終系統停止工作。

　　圖6。競爭對手的CAN數據傳輸。

　　這類數據傳輸錯誤只能通過執行完整的系統級測試來發現，包括多個can控制器、CAN收發器和一條長電纜。

　　結論

　　CAN收發器的系統級測試有助于發現系統中未來可能出現的數據傳輸問題。這些問題可以通過評估帶有can控制器的CAN收發器和滿足所需時序和電壓規格的電纜來避免。CAN系統的魯棒性是CAN系統中每個組件的累積性能。僅評估一個器件或CAN收發器并不能準確衡量系統功能。對系統進行預先驗證比更換故障系統更具成本效益。因此，我們強烈建議在選擇CAN控制器之前進行系統級測試。

　　審核編輯：黃飛