汽車CAN總線網絡結構測試研究及分析

1 CAN總線物理層
CAN總線物理層是基于IS011898-2國際標準要求，對CAN總線的底層協議進行定義，根據CAN總線物理層的規定，設計CAN總線的節點結構，如圖1所示。

在CAN總線節點中，CAN收發器應該符合IS011898-2標準，總線通信的最高速率為1 Mbps，能夠抗環境瞬間干擾，具有保護總線的能力，并且能對CAN總線信號的斜率進行修正和控制，降低射頻干擾RFI，內部具有熱保護以及電源和搭鐵短路保護電路，低電流狀態下進入待機模式，未上電的節點對總線不會造成影響。CAN收發器工作原理如圖2所示。

對被測單元或者網絡配接測試設備，建立測試系統和操作界面，對整體網絡進行測試和分析。如圖3所示。

1.1 CAN總線物理電平測試
CAN總線信號是以物理電平為載體傳輸的，信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被稱為CAN一和CAN -L，物理電平直接決定了CAN總線信號能否正常傳輸，如表1、圖4所示。



CAN總線物理電平通過物理值和邏輯值兩種方式體現，通過使用CANscope對CAN總線的物理波形進行采集和分析，將設備接入到CAN總線網絡中，將總線報文進行篩選和評估。表2為高速CAN總線顯性和隱性電壓測試評估的指標。表3為低速CAN總線顯性和隱性電壓測試評估的指標。



1.2 CAN總線電平沿信號測試
CAN總線物理電平的信號沿斜率確保CAN物理層在電壓載體上的正常傳輸，雖然一般收發器都具有斜率修正和控制功能，但對于信號沿的測量仍然需要精確要求。信號沿太陡會使電平信號變化的時間太短，會引起電壓沖擊，導致EMC問題；信號沿太緩會使信號變化辨識度下降，嚴重時會產生錯誤幀，導致CAN總線通信問題，如圖5所示，測量CAN總線信號沿波形，上升沿的上升時間為160 ns，下降沿的下降時間是240 ns。

1.3 CAN總線終端電阻測試
終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號反射，在通信過程中，有兩種原因導致信號反射：阻抗不連續和阻抗不匹配。阻抗不連續，信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號在這個地方就會引起反射。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續。由于信號在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通信電纜的另一端可跨接一個同樣大小的終端電阻。引起信號反射的另外一個原因是數據收發器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現在通信線路處在空閑方式時，整個網絡數據混亂。為了提高網絡節點的拓撲能力，CAN總線兩端需要接有120Ω的抑制反射的終端電阻，它對匹配總線阻抗起著非常重要的作用，如果忽略此電阻，會使數字通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無法通信，對于終端電阻的測量，需要在CAN總線網絡上的各個ECU以及整個網絡上進行。如圖6所示。

為了對CAN總線網絡系統進行全面測試，對CAN總線網絡進行故障注入和故障干擾，模擬CAN總線網絡中所能夠出現的故障狀態，具體故障狀態如圖7所示。

在搭建的測試系統中，上述的故障注入主要是用于CAN總線網絡的故障模擬，最大程度地模擬真實的網絡故障。導致實際故障的原因可能有很多，需要通過模擬故障并進行測試和分析，積累故障現象和表現狀態。在CAN總線物理層的測試過程時，如圖8所示，現象為電壓幅值過小，CAN總線上的波形故障狀態與正常狀態的對比，可以清晰地看出在CAN總線物理層的總線電平和信號沿體現的特性，導致這種現象的因素可能是終端電阻的阻值偏小，不能匹配網絡，或者是節點過多導致。造成上升、下降沿過慢現象的主要因素是CAN總線通信距離過長或者終端電阻阻值匹配過大造成。這些測試出來的故障應該盡可能地在汽車研發的測試階段解決，如果一旦在汽車生產線上出現或者在售后出現，對于這類故障是很不好解決的，并且這些測試也應該在研發階段對汽車CAN總線網絡上的各個ECU進行，對ECU在CAN總線通信的軟件、硬件進行評估。

如圖9所示，現象為CAN總線上出現正向反射和負向反射與正常狀態的波形對比，可以從波形上看出在CAN總線物理層的總線電平和信號沿方面的不同，導致這種現象的主要原因是終端電阻不匹配或者不連續，信號在傳輸的過程中遇到電阻阻值過小，在這些地方形成了正向和負向反射。


CAN總線技術有助于解決現代汽車中龐大的電子控制裝置之間的通信，不僅減少網絡站點的數量和導線的用量，降低汽車總質量，汽車的裝配工序也更為簡化，而且增強了網絡信息傳輸的可靠性。網絡技術的引入也給網絡節點在通信安全穩定方面帶來了一些問題。比如，網絡上的節點突然掉線，其他需要與之通信的節點并未預知這種情況，它們會毫無意義地等待掉線節點的應答或數據傳輸，造成資源浪費，甚至有可能產生其他嚴重問題，而且，節點本身也要有監測本身是否在線的能力。為了在任何2個CAN儀器之間建立兼容性，并能在通信過程中進行數據傳輸和解析，CAN總線被細分為以下不同的層次：物理層（Physical Layer）、數據鏈路層（Data Link Layer）、交互層（Interaction Layer）。根據在不同層次下的特性，對汽車CAN總線網絡結構進行測試研究及分析。

1 CAN總線物理層
CAN總線物理層是基于IS011898-2國際標準要求，對CAN總線的底層協議進行定義，根據CAN總線物理層的規定，設計CAN總線的節點結構，如圖1所示。

在CAN總線節點中，CAN收發器應該符合IS011898-2標準，總線通信的最高速率為1 Mbps，能夠抗環境瞬間干擾，具有保護總線的能力，并且能對CAN總線信號的斜率進行修正和控制，降低射頻干擾RFI，內部具有熱保護以及電源和搭鐵短路保護電路，低電流狀態下進入待機模式，未上電的節點對總線不會造成影響。CAN收發器工作原理如圖2所示。

對被測單元或者網絡配接測試設備，建立測試系統和操作界面，對整體網絡進行測試和分析。如圖3所示。

1.1 CAN總線物理電平測試
CAN總線信號是以物理電平為載體傳輸的，信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被稱為CAN一和CAN -L，物理電平直接決定了CAN總線信號能否正常傳輸，如表1、圖4所示。



CAN總線物理電平通過物理值和邏輯值兩種方式體現，通過使用CANscope對CAN總線的物理波形進行采集和分析，將設備接入到CAN總線網絡中，將總線報文進行篩選和評估。表2為高速CAN總線顯性和隱性電壓測試評估的指標。表3為低速CAN總線顯性和隱性電壓測試評估的指標。



1.2 CAN總線電平沿信號測試
CAN總線物理電平的信號沿斜率確保CAN物理層在電壓載體上的正常傳輸，雖然一般收發器都具有斜率修正和控制功能，但對于信號沿的測量仍然需要精確要求。信號沿太陡會使電平信號變化的時間太短，會引起電壓沖擊，導致EMC問題；信號沿太緩會使信號變化辨識度下降，嚴重時會產生錯誤幀，導致CAN總線通信問題，如圖5所示，測量CAN總線信號沿波形，上升沿的上升時間為160 ns，下降沿的下降時間是240 ns。

1.3 CAN總線終端電阻測試
終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號反射，在通信過程中，有兩種原因導致信號反射：阻抗不連續和阻抗不匹配。阻抗不連續，信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號在這個地方就會引起反射。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續。由于信號在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通信電纜的另一端可跨接一個同樣大小的終端電阻。引起信號反射的另外一個原因是數據收發器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現在通信線路處在空閑方式時，整個網絡數據混亂。為了提高網絡節點的拓撲能力，CAN總線兩端需要接有120Ω的抑制反射的終端電阻，它對匹配總線阻抗起著非常重要的作用，如果忽略此電阻，會使數字通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無法通信，對于終端電阻的測量，需要在CAN總線網絡上的各個ECU以及整個網絡上進行。如圖6所示。

為了對CAN總線網絡系統進行全面測試，對CAN總線網絡進行故障注入和故障干擾，模擬CAN總線網絡中所能夠出現的故障狀態，具體故障狀態如圖7所示。

在搭建的測試系統中，上述的故障注入主要是用于CAN總線網絡的故障模擬，最大程度地模擬真實的網絡故障。導致實際故障的原因可能有很多，需要通過模擬故障并進行測試和分析，積累故障現象和表現狀態。在CAN總線物理層的測試過程時，如圖8所示，現象為電壓幅值過小，CAN總線上的波形故障狀態與正常狀態的對比，可以清晰地看出在CAN總線物理層的總線電平和信號沿體現的特性，導致這種現象的因素可能是終端電阻的阻值偏小，不能匹配網絡，或者是節點過多導致。造成上升、下降沿過慢現象的主要因素是CAN總線通信距離過長或者終端電阻阻值匹配過大造成。這些測試出來的故障應該盡可能地在汽車研發的測試階段解決，如果一旦在汽車生產線上出現或者在售后出現，對于這類故障是很不好解決的，并且這些測試也應該在研發階段對汽車CAN總線網絡上的各個ECU進行，對ECU在CAN總線通信的軟件、硬件進行評估。

如圖9所示，現象為CAN總線上出現正向反射和負向反射與正常狀態的波形對比，可以從波形上看出在CAN總線物理層的總線電平和信號沿方面的不同，導致這種現象的主要原因是終端電阻不匹配或者不連續，信號在傳輸的過程中遇到電阻阻值過小，在這些地方形成了正向和負向反射。


3 結論