如何進行CAN信號質量評估

摘要：CAN總線廣泛應用于汽車電子、現代工業及軍工航空等安全要求較高的領域，優質的CAN信號是各節點穩定通信的基礎，那么，如何判斷總線信號質量的優劣呢？我們可以對信號做一次質量評估。

一、為什么要評估檢查CAN信號的質量？

信號質量較差的CAN信號，可能會導致發送或接收節點無法正確識別信號電平，使通信受到影響。信號質量評估是分析CAN通信信號質量的一種有效手段，對單節點進行信號質量評估，能直觀反映節點信號電平質量的好壞；對CAN網絡進行信號質量評估，能直觀地比較各節點信號質量情況，便于問題的分析和定位。

二、CAN信號質量評估的相關概念

CAN節點是通過差分信號進行通信的，因此，信號質量的評估對象為CAN差分信號的波形。信號質量評估即對差分信號波形的幅值、斜率及擾動等元素按照一定的規則進行綜合評估，得到的質量評估結果，以百分比的形式呈現。信號質量評估參數圖如圖1所示：

圖1  信號質量評估參數圖

?無干擾電壓范圍

無干擾電壓范圍是指待評估差分波形段中顯性位電平的最小值和隱性位電平的最大值之間的差值。

?峰峰值

峰峰值是指波形中最大值和最小值的差值。

?斜率

斜率即信號邊沿時間，是波形中信號電平變換時所經歷的時間，包括上升沿和下降沿。

三、信號質量評估方法

1、斜率評估

全面評估CAN總線電平的信號質量，邊沿時間的評估是不可或缺的，過于平緩的邊沿會導致接收節點采樣錯誤。如圖2所示的波形，邊沿明顯過于平緩。

圖2  信號邊沿過于平緩現象

斜率評估計算公式如下：

由計算公式可知，當邊沿過于平緩，即邊沿時間占位時間的比例越大時，則評分越低；當邊沿時間達到位時間的50%時，評分為0%，這時位信號已經嚴重畸變，影響節點對位電平的識別。

2、幅值評估

信號質量的好壞與信號的幅值（幅值是指頂部值與底部值之間的差值）密切相關，幅值對應的頂部值和底部值需在ISO 11898-2定義的范圍之內，否則可能導致無法正常通信。

圖3  ISO11898-2 顯性差分電平參考范圍

圖4  ISO11898-2 隱性差分電平參考范圍

幅值異常，會使CAN通信的容錯性降低，如圖5所示，幅值對應的頂部值只有1.2V左右，低于ISO 11898-2定義的最小值。

圖5  CAN差分信號幅值過低

幅值評估公式如下：

1）無干擾電壓范圍

2）幅值評分

由計算公式可知，幅值的評估與無干擾電壓范圍密切相關，當無干擾電壓范圍為1V時，評分最小，為0%；而2.2V為無干擾電壓范圍的最優值，對應評分為100%。

3、擾動評估

信號在波形頂部值和底部值的抖動直觀地反映了信號受到的干擾情況，即往往會使波形出現預沖和過沖現象。

圖6  信號預沖現象

圖7  信號過沖現象

信號擾動按照如下公式進行評估：

由計算公式可知，當峰峰值與無干擾電壓范圍越接近時，評分越高，此時表征信號波形的預沖、過沖較小，當峰峰值和無干擾電壓范圍相等時，評分為100%。

4、綜合質量

由以上三部分得到信號質量評估的綜合結果，計算公式如下：

注：1/3可看作三大信號質量評估內容的權重，它們一般使用相同的權值。

5、注意事項

1、信號質量的評估應以差分波形的波形段為單位，且波形段中應包含上升沿、下降沿、頂部值以及底部值等波形元素。

2、根據CAN通信的原理，仲裁場和ACK場期間，多個節點可能同時進行信號的傳輸，這兩個位場不宜參與信號質量的評估，因為用于評估的波形應該屬于同一個節點，這樣才能保證評估結果表征的是同一個節點。

3、僅對標準數據幀和擴展數據幀且有完整波形的報文進行評估，評估的波形為差分波形。

四、信號質量自動化評估

以下是以廣州致遠電子有限公司的CAN總線分析儀進行信號質量評估的操作方法。

第一步，用CAN總線分析儀采集DUT一定數量的報文。

圖8  CAN報文采集

第二步，點擊報文菜單區的“信號質量”圖標，設置好參數后點擊“開始評估”按鈕。等待分析完畢后得到結果，如圖9。

圖9  信號質量評估結果

軟件對評估結果支持多種分類和顯示方式，便于分析定位問題，充分利用該功能可以迅速地定位問題節點。如圖10是采集兩個節點的通信報文進行信號質量評估的結果，節點1的報文ID段最后一個字節均為0xF4，節點2的報文ID段最后一個字節均為0x56。

圖10  多個節點的信號質量比較

由信號質量評估結果可以知道,節點2的信號質量較差，需要采取一定的措施改善其信號的質量，以保證通信的可靠性。

總結：

CAN總線電平信號的質量評估檢測有助于排查總線故障，定位故障節點，從而改善及提升CAN總線系統通信的穩定性。