CANFD通信信号质量分析和测试方法的研究

2021-06-04刘士宝何烈炎孙小雨黄光健

汽车实用技术 2021年10期

刘士宝，何烈炎，孙小雨，黄光健

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434）

前言

局域控制网络（Controller Area Network，CAN）由于其可靠性高、成本优势和实时性高的特点，应用于多个领域，如汽车行业、工业控制、航空航天和过程工业等，是低速控制领域常用的通信协议。而随着近些年各行业的发展，尤其是汽车网联化、智能化、网联化和电气化的需求，越来越多的功能被应用到汽车领域中，更多的数据要求在 CAN网络中传输。由于经典CAN总线的最高传输速率为1Mbit/s，通信数据大量增加使总线负载率急剧增大以致造成网络拥堵，影响信息传输的可靠性和实时性。为了解决传统 CAN面临的问题，2011年由博世主导推出具有更高传输速率和更大数据场长度的可变数据速率局域控制网络（CAN with Flexible Data-Rate，CANFD），CANFD的最高传输速率超过8Mbit/s，为新功能的拓展提供了基础。

随着传输速率的提高，CANFD的位长更小，对于干扰的容错能力更低，对于信号质量要求越高。在实际的应用过程中，复杂CANFD网络中的通信如果不做相应的研究、测试和调整，将难以保证通信的可靠性和鲁棒性。

另外，在总线通讯中收发器自身的对称性、总线拓扑自身的物理属性、温度原因、微控制器与收发器之间的接口、线路反射等均会对物理层的非对称性延迟产生影响。物理层的非对称性延迟降低了通信信号质量，在高通讯速率网络中容易引起采样错误，导致通讯错误。实际设计中影响物理层的非对称性延迟的因素均难以达到理想要求。

基于上述原因，十分有必要对通信信号质量进行评估和测试，以进一步指导实际设计。为达到该目的，本文对CANFD通信中通信信号质量的影响因素进行了分析，量化了时钟容差、收发器的非对称性、印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）等因素对通信信号质量的影响程度，提出通过振铃稳定点与采样点的漂移范围的关系对信号的可靠性进行评估的测试方法。在此基础上，按照此方法对实际的CANFD网络中的通信进行测试，并根据测试结果提出改善方案。

1 信号质量的影响因素分析

对于CANFD网络中，信号质量的评估，关键点在于考虑各种因素的情况下，位的采样点应落在该位值的可识别范围内，如此可保证采样的正确性。如下图1展示了一个隐性位的采样点的有效范围。

图1 采样点有效范围

由于CANFD收发器的物理特性，从隐形到显性的沿收发器可有效控制，但是从显性到隐形的沿收发器无法有效控制，会导致显性位延迟，隐性位缩短，并且产生振铃。同时由于 CAN协议的填充规则，可能出现的最长的连续显性位为5比特。综上，跳变沿偏差最严重的情形是连续5个显性位后的显性到隐性的跳变沿。

根据文献[1]的定义，CANFD差分波形中，显性电压的范围为0.9 V～8.0 V，隐性电压的范围为-3.0 V～0.5 V[1]。考虑振铃影响，结合上文中的最差工况分析，如下图，起始于连续5个显性位的首位的隐性到显性跳变沿与0.9 V电压线的交点，结束于5个连续显性位后的隐性位中振铃波形与0.5 V线的最后一个交点的时间间隔称为振铃稳定时间，振铃波形与0.5 V线的最后一个交点称为振铃稳定点，如图2。采样点必须在振铃稳定点之后才能保证采样的正确。

评估采样点是否合理，其关键在于保证振铃稳定点落在采样点的波动范围之前。故本文的重点在于评估振铃稳定点与采样点位置的相对位置关系。为方便表述，以下以采样点相对振铃稳定点的波动范围描述两者的偏差。

图2 振铃稳定点与采样点波动范围

在不考虑电磁干扰等突发因素的影响的情况下，采样点的位置受时钟容差、拓扑、位定时参数、收发器类型、接口电路、线束性能和温度等因素的影响，本文在位定时参数、传输速率、温度和物理拓扑相关参数等已确定的工况下，讨论振铃稳定点与采样点位置波动范围的关系。由于报文自发自收和非自发自收时采样点和时钟偏差等因素，以下分自发自收和非自发自讨论。

以标称数据波特率为2 Mbps，时钟频率为40 Mhz，标称采样点位置为70%为例，标称第二采样点为65%，计算采样点位置波动范围。

1.1 时钟容差影响

非自发自收时，根据文献[2]的要求，CANFD时钟容差要求为±0.3%[2]。

当发送节点的时钟容差为-0.3%，接收节点的时钟容差为+0.3%时，采样点相对振铃稳定点有最大的向左偏移：

式中，SOSC.L为时钟容差导致的采样点相对振铃稳定点向左的偏移量，tbit为标称数据段位时间，dfMax为时钟容差的最大值，为0.3%，SP为标称采样点位置，70%。

当发送节点的时钟容差为+0.3%，接收节点的时钟容差为-0.3%时，采样点相对振铃稳定点有最大的向右偏移：

式中，SOSC.R为时钟容差导致的采样点相对振铃稳定点向右的偏移量，tbit为标称数据段位时间，dfMax为时钟容差的最大值，0.3%，SP为标称采样点位置，70%。

自发自收时，发送节点和接收节点是同一节点，所以不存在时钟容差引起的采样点位置偏差。

1.2 收发器影响

在发送节点到接收节点，由于收发器的非对称性，将导致图1中的5个连续显性位后的下降沿的向左或向右的偏移，同样会引起振铃稳定点的偏移。如图3展示了收发器非对称性引起的隐性位位长变化。

图3 收发器非对称性影响

根据文献[1]，非自发自收时，收发器非对称性引起的采样点相对振铃稳定点向左最大偏移[1]：

式中，STran.L为非自收自发时收发器引起的采样点相对振铃稳定点向左最大偏移。

采样点相对振铃稳定点向右最大偏移：

式中，STran.R为非自收自发时收发器引起的采样点相对振铃稳定点向右最大偏移。

自发自收时，收发器非对称性引起的采样点相对振铃稳定点向左最大偏移：

式中，S′Tran.L为自收自发时收发器引起的采样点相对振铃稳定点向左最大偏移。

采样点相对振铃稳定点向右最大偏移：

式中，S′Tran.R为自收自发时收发器引起的采样点相对振铃稳定点向右最大偏移。

1.3 PCB影响

实际应用中可能存在MCU和收发器之间应用电气隔离的方案，故需要考虑其对于 CAN边沿偏移的影响。且自发自收和非自发自收时，该因素的影响是相同的。根据文献[3]的要求，该参数可导致采样点相对振铃稳定时间向左偏移和向右偏移[3]：

式中，SPCB.L和SPCB.R分别为非自收自发时PCB导致的采样点相对振铃稳定点的向左和向右的最大偏移，S′PCB.L和S′PCB.R分别为自收自发时PCB导致的采样点相对振铃稳定点的向左和向右最大偏移，tPCB.Delay为控制器到收发器之间器件引起的非对称延迟，为5 ns。

1.4 位分片的影响

非自发自收时，同步的特性使得接收节点最大可能相对发送节点偏移1个位分片时间，导致采样点相对振铃稳定时间向左偏移：

式中，STq.L为非自收自发时位分片导致的采样点相对振铃稳定时间向左最大偏移，ttq为位分片时间长度。

采样点相对振铃稳定点向右最大偏移：

式中，STq.R为非自收自发时位分片导致的采样点相对振铃稳定时间向右最大偏移。

自发自收时，不需要同步，故位分片对自发自收工况下的采样点波动范围无影响。

综上，非自发自收时，采样点相对振铃稳定时间的向左偏移：

式中，SL为非自收自发时位各种因素导致的采样点相对振铃稳定时间向左最大偏移。

采样点相对振铃稳定时间的向右有偏移：

式中，SR为非自收自发时位各种因素导致的采样点相对振铃稳定时间向右最大偏移。

所以采样点落在自 5个连续显性位起始后的 2668.88～2946.19 ns范围内。相对振铃稳定点的采样点位置波动范围如下图4。

图4 节点不同收发时的采样点波动范围

自发自收时，采样点相对振铃稳定时间的向左偏移：

式中，S′L为自收自发时各种因素导致的采样点相对振铃稳定时间向左最大偏移。

采样点相对振铃稳定时间的向右有偏移：

式中，S′R为自收自发时各种因素导致的采样点相对振铃稳定时间向右最大偏移。

所以采样点落在自5个连续显性位起始后的2740～2910 ns范围内。相对振铃稳定点的采样点位置波动范围如下图5。

图5 自发自收时采样点波动范围

2 信号质量测试方法

2.1 测试方法

根据上述的通信质量影响因素分析，对如下表1中参数的拓扑进行测试。

表1 拓扑参数

在室温下，该CANFD网络进行信号质量评估的测试。该网络中节点1和节点6位于网络的两端，为终端节点，如下图6。

图6 网络拓扑图

上述网络中各节点两两通信时，分别在接收节点的差分总线上测试振铃稳定时间，测量位置如图6所示。测试结果如表2所示。

图7 测量位置

2.2 评估标准选取

因在实际的网络测试中，振铃稳定时间的测试结果中也包含发送节点收发器的非对称带来的偏差，为避免重复计算该偏差，在选取评估振铃稳定时间通过标准时应当对此进行补偿。

补偿值的测试图如图8所示，两个节点点对点连接，且总线线束尽可能端。分别在两个节点的差分总线上测量5个连续显性位后的1个隐性位长度。该隐性位位长与标称位时间的偏差可视为发送节点收发器非对称引起的偏差，即为补偿值。测试拓扑参考图8。

根据实际测量结果，补偿值为：

图8 补偿值测试拓扑

综上，CANFD的通信信号质量符合要求的条件如下：

式中，tSettle.Max为非自发自收时的振铃稳点时间的最大值，t’Settle.Max为自发自收时的振铃稳定时间的最大值，SPScd为标称第二采样点位置。

补偿值由SComp节点的收发器决定，当网络中有不同型号的收发器时，装配不同收发器节点的收发关系下有不同的补偿值，需按照同样的方法测试各收发关系的补充值，并将用于计算振铃稳定时间的最大值。这种情况下，存在多种不同的振铃稳点时间最大值。

对图5中的CANFD网络进行测试，测试结果如下表2，深色底色部分为测试不通过项。

表2 CANFD网络测试信号质量测试结果

2.3 测试结果分析及改善方法

从上述测试结果中可得出，节点1自发自收、节点3发送节点1接收等6处测试不通过。通过结果可以得出，在其他条件不变的情况下，一个总线网络中，网络同一端的节点之间相互通信时，易出现振铃稳定时间长问题。所以在网络设计时，网络两端的节点的设计应更谨慎，留有更多的设计余量。

上述测试示例只在常温下进行，需在高低温下工况进行同样的测试。同时，可结合长时间的错误率测试，充分验证全工况、长时间下CANFD网络的通信质量。

为使上述CANFD网络中的通信质量符合要求，需对网络或节点进行改进。可从两方面着手。其一，改善拓扑相关的参数，如调整问题节点的分支线长度，使从远端反射的振铃相互抵消，从而减少振铃稳定时间；或者选择更好线束，如非PVC绝缘层材质的线束，可提高全温度范围内的特性阻抗的稳定性；或者调整节点在拓扑中的位置，使性能更差的节点位于网络的中端，减少振铃稳定时间。其二，改善采样点波动范围相关的参数，如采用更高速率或支持振铃抑制的收发器，如支持5 Mbit/s传输速率的收发器，其具有更好的非对称性能是可接受的振铃稳定时间增加40 ns；或者取消电偶隔离、使用更高精度或更高频率的时钟等，使采样点波动范围更窄，以允许更长的振铃稳定时间。