CANFD通信信號質量分析和測試方法的研究

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

局域控制網絡（Controller Area Network，CAN）由于其可靠性高、成本優勢和實時性高的特點，應用于多個領域，如汽車行業、工業控制、航空航天和過程工業等，是低速控制領域常用的通信協議。而隨著近些年各行業的發展，尤其是汽車網聯化、智能化、網聯化和電氣化的需求，越來越多的功能被應用到汽車領域中，更多的數據要求在 CAN網絡中傳輸。由于經典CAN總線的最高傳輸速率為1Mbit/s，通信數據大量增加使總線負載率急劇增大以致造成網絡擁堵，影響信息傳輸的可靠性和實時性。為了解決傳統 CAN面臨的問題，2011年由博世主導推出具有更高傳輸速率和更大數據場長度的可變數據速率局域控制網絡（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。

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，對于信號質量要求越高。在實際的應用過程中，復雜CANFD網絡中的通信如果不做相應的研究、測試和調整，將難以保證通信的可靠性和魯棒性。

另外，在總線通訊中收發器自身的對稱性、總線拓撲自身的物理屬性、溫度原因、微控制器與收發器之間的接口、線路反射等均會對物理層的非對稱性延遲產生影響。物理層的非對稱性延遲降低了通信信號質量，在高通訊速率網絡中容易引起采樣錯誤，導致通訊錯誤。實際設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量進行評估和測試，以進一步指導實際設計。為達到該目的，本文對CANFD通信中通信信號質量的影響因素進行了分析，量化了時鐘容差、收發器的非對稱性、印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）等因素對通信信號質量的影響程度，提出通過振鈴穩定點與采樣點的漂移范圍的關系對信號的可靠性進行評估的測試方法。在此基礎上，按照此方法對實際的CANFD網絡中的通信進行測試，并根據測試結果提出改善方案。

1 信號質量的影響因素分析

對于CANFD網絡中，信號質量的評估，關鍵點在于考慮各種因素的情況下，位的采樣點應落在該位值的可識別范圍內，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收發器的物理特性，從隱形到顯性的沿收發器可有效控制，但是從顯性到隱形的沿收發器無法有效控制，會導致顯性位延遲，隱性位縮短，并且產生振鈴。同時由于 CAN協議的填充規則，可能出現的最長的連續顯性位為5比特。綜上，跳變沿偏差最嚴重的情形是連續5個顯性位后的顯性到隱性的跳變沿。

根據文獻[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]。考慮振鈴影響，結合上文中的最差工況分析，如下圖，起始于連續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，結束于5個連續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定時間，振鈴波形與0.5 V線的最后一個交點稱為振鈴穩定點，如圖2。采樣點必須在振鈴穩定點之后才能保證采樣的正確。

評估采樣點是否合理，其關鍵在于保證振鈴穩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定點與采樣點位置的相對位置關系。為方便表述，以下以采樣點相對振鈴穩定點的波動范圍描述兩者的偏差。

圖2 振鈴穩定點與采樣點波動范圍

在不考慮電磁干擾等突發因素的影響的情況下，采樣點的位置受時鐘容差、拓撲、位定時參數、收發器類型、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、傳輸速率、溫度和物理拓撲相關參數等已確定的工況下，討論振鈴穩定點與采樣點位置波動范圍的關系。由于報文自發自收和非自發自收時采樣點和時鐘偏差等因素，以下分自發自收和非自發自討論。

以標稱數據波特率為2 Mbps，時鐘頻率為40 Mhz，標稱采樣點位置為70%為例，標稱第二采樣點為65%，計算采樣點位置波動范圍。

1.1 時鐘容差影響

非自發自收時，根據文獻[2]的要求，CANFD時鐘容差要求為±0.3%[2]。

當發送節點的時鐘容差為-0.3%，接收節點的時鐘容差為+0.3%時，采樣點相對振鈴穩定點有最大的向左偏移：

式中，SOSC.L為時鐘容差導致的采樣點相對振鈴穩定點向左的偏移量，tbit為標稱數據段位時間，dfMax為時鐘容差的最大值，為0.3%，SP為標稱采樣點位置，70%。

當發送節點的時鐘容差為+0.3%，接收節點的時鐘容差為-0.3%時，采樣點相對振鈴穩定點有最大的向右偏移：

式中，SOSC.R為時鐘容差導致的采樣點相對振鈴穩定點向右的偏移量，tbit為標稱數據段位時間，dfMax為時鐘容差的最大值，0.3%，SP為標稱采樣點位置，70%。

自發自收時，發送節點和接收節點是同一節點，所以不存在時鐘容差引起的采樣點位置偏差。

1.2 收發器影響

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

圖3 收發器非對稱性影響

根據文獻[1]，非自發自收時，收發器非對稱性引起的采樣點相對振鈴穩定點向左最大偏移[1]：

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

采樣點相對振鈴穩定點向右最大偏移：

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

自發自收時，收發器非對稱性引起的采樣點相對振鈴穩定點向左最大偏移：

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

采樣點相對振鈴穩定點向右最大偏移：

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

1.3 PCB影響

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

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

1.4 位分片的影響

非自發自收時，同步的特性使得接收節點最大可能相對發送節點偏移1個位分片時間，導致采樣點相對振鈴穩定時間向左偏移：

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

采樣點相對振鈴穩定點向右最大偏移：

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

自發自收時，不需要同步，故位分片對自發自收工況下的采樣點波動范圍無影響。

綜上，非自發自收時，采樣點相對振鈴穩定時間的向左偏移：

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

采樣點相對振鈴穩定時間的向右有偏移：

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

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

圖4 節點不同收發時的采樣點波動范圍

自發自收時，采樣點相對振鈴穩定時間的向左偏移：

式中，S′L為自收自發時各種因素導致的采樣點相對振鈴穩定時間向左最大偏移。

采樣點相對振鈴穩定時間的向右有偏移：

式中，S′R為自收自發時各種因素導致的采樣點相對振鈴穩定時間向右最大偏移。

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

圖5 自發自收時采樣點波動范圍

2 信號質量測試方法

2.1 測試方法

根據上述的通信質量影響因素分析，對如下表1中參數的拓撲進行測試。

表1 拓撲參數

在室溫下，該CANFD網絡進行信號質量評估的測試。該網絡中節點1和節點6位于網絡的兩端，為終端節點，如下圖6。

圖6 網絡拓撲圖

上述網絡中各節點兩兩通信時，分別在接收節點的差分總線上測試振鈴穩定時間，測量位置如圖6所示。測試結果如表2所示。

圖7 測量位置

2.2 評估標準選取

因在實際的網絡測試中，振鈴穩定時間的測試結果中也包含發送節點收發器的非對稱帶來的偏差，為避免重復計算該偏差，在選取評估振鈴穩定時間通過標準時應當對此進行補償。

補償值的測試圖如圖8所示，兩個節點點對點連接，且總線線束盡可能端。分別在兩個節點的差分總線上測量5個連續顯性位后的1個隱性位長度。該隱性位位長與標稱位時間的偏差可視為發送節點收發器非對稱引起的偏差，即為補償值。測試拓撲參考圖8。

根據實際測量結果，補償值為：

圖8 補償值測試拓撲

綜上，CANFD的通信信號質量符合要求的條件如下：

式中，tSettle.Max為非自發自收時的振鈴穩點時間的最大值，t’Settle.Max為自發自收時的振鈴穩定時間的最大值，SPScd為標稱第二采樣點位置。

補償值由SComp節點的收發器決定，當網絡中有不同型號的收發器時，裝配不同收發器節點的收發關系下有不同的補償值，需按照同樣的方法測試各收發關系的補充值，并將用于計算振鈴穩定時間的最大值。這種情況下，存在多種不同的振鈴穩點時間最大值。

對圖5中的CANFD網絡進行測試，測試結果如下表2，深色底色部分為測試不通過項。

表2 CANFD網絡測試信號質量測試結果

2.3 測試結果分析及改善方法

從上述測試結果中可得出，節點1自發自收、節點3發送節點1接收等6處測試不通過。通過結果可以得出，在其他條件不變的情況下，一個總線網絡中，網絡同一端的節點之間相互通信時，易出現振鈴穩定時間長問題。所以在網絡設計時，網絡兩端的節點的設計應更謹慎，留有更多的設計余量。

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，可結合長時間的錯誤率測試，充分驗證全工況、長時間下CANFD網絡的通信質量。

為使上述CANFD網絡中的通信質量符合要求，需對網絡或節點進行改進。可從兩方面著手。其一，改善拓撲相關的參數，如調整問題節點的分支線長度，使從遠端反射的振鈴相互抵消，從而減少振鈴穩定時間；或者選擇更好線束，如非PVC絕緣層材質的線束，可提高全溫度范圍內的特性阻抗的穩定性；或者調整節點在拓撲中的位置，使性能更差的節點位于網絡的中端，減少振鈴穩定時間。其二，改善采樣點波動范圍相關的參數，如采用更高速率或支持振鈴抑制的收發器，如支持5 Mbit/s傳輸速率的收發器，其具有更好的非對稱性能是可接受的振鈴穩定時間增加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定時間。

3 結論

本文對 CANFD通信信號質量進行影響分析和量化評估，確定信號質量的評估標準，建立相應的測試方法，并根據測試結果提出改善方案。該方法可對任何類型的 CANFD網絡進行評估和測試，有效驗證CANFD網絡的可靠性和魯棒性。