汽车CAN总线网络结构测试研究及分析

    CAN总线技术有助于解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通信，不仅减少网络站点的数量和导线的用量，降低汽车总质量，汽车的装配工序也更为简化，而且增强了网络信息传输的可靠性。网络技术的引入也给网络节点在通信安全稳定方面带来了一些问题。比如，网络上的节点突然掉线，其他需要与之通信的节点并未预知这种情况，它们会毫无意义地等待掉线节点的应答或数据传输，造成资源浪费，甚至有可能产生其他严重问题，而且，节点本身也要有监测本身是否在线的能力。为了在任何2个CAN仪器之间建立兼容性，并能在通信过程中进行数据传输和解析，CAN总线被细分为以下不同的层次：物理层（Physical Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、交互层（Interaction Layer）。根据在不同层次下的特性，对汽车CAN总线网络结构进行测试研究及分析。

    1  CAN总线物理层
    CAN总线物理层是基于IS011898-2国际标准要求，对CAN总线的底层协议进行定义，根据CAN总线物理层的规定，设计CAN总线的节点结构，如图1所示。

    在CAN总线节点中，CAN收发器应该符合IS011898-2标准，总线通信的最高速率为1 Mbps，能够抗环境瞬间干扰，具有保护总线的能力，并且能对CAN总线信号的斜率进行修正和控制，降低射频干扰RFI，内部具有热保护以及电源和搭铁短路保护电路，低电流状态下进入待机模式，未上电的节点对总线不会造成影响。CAN收发器工作原理如图2所示。

    对被测单元或者网络配接测试设备，建立测试系统和操作界面，对整体网络进行测试和分析。如图3所示。

    1.1  CAN总线物理电平测试
    CAN总线信号是以物理电平为载体传输的，信号使用差分电压传送，两条信号线被称为CAN一和CAN -L，物理电平直接决定了CAN总线信号能否正常传输，如表1、图4所示。



    CAN总线物理电平通过物理值和逻辑值两种方式体现，通过使用CANscope对CAN总线的物理波形进行采集和分析，将设备接入到CAN总线网络中，将总线报文进行筛选和评估。表2为高速CAN总线显性和隐性电压测试评估的指标。表3为低速CAN总线显性和隐性电压测试评估的指标。



    1.2 CAN总线电平沿信号测试
    CAN总线物理电平的信号沿斜率确保CAN物理层在电压载体上的正常传输，虽然一般收发器都具有斜率修正和控制功能，但对于信号沿的测量仍然需要精确要求。信号沿太陡会使电平信号变化的时间太短，会引起电压冲击，导致EMC问题；信号沿太缓会使信号变化辨识度下降，严重时会产生错误帧，导致CAN总线通信问题，如图5所示，测量CAN总线信号沿波形，上升沿的上升时间为160 ns，下降沿的下降时间是240 ns。

    1.3  CAN总线终端电阻测试
    终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射，在通信过程中，有两种原因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通信电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。引起信号反射的另外一个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通信线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。为了提高网络节点的拓扑能力，CAN总线两端需要接有120Ω的抑制反射的终端电阻，它对匹配总线阻抗起着非常重要的作用，如果忽略此电阻，会使数字通信的抗干扰性和可靠性大大降低，甚至无法通信，对于终端电阻的测量，需要在CAN总线网络上的各个ECU以及整个网络上进行。如图6所示。

    为了对CAN总线网络系统进行全面测试，对CAN总线网络进行故障注入和故障干扰，模拟CAN总线网络中所能够出现的故障状态，具体故障状态如图7所示。

    在搭建的测试系统中，上述的故障注入主要是用于CAN总线网络的故障模拟，最大程度地模拟真实的网络故障。导致实际故障的原因可能有很多，需要通过模拟故障并进行测试和分析，积累故障现象和表现状态。在CAN总线物理层的测试过程时，如图8所示，现象为电压幅值过小，CAN总线上的波形故障状态与正常状态的对比，可以清晰地看出在CAN总线物理层的总线电平和信号沿体现的特性，导致这种现象的因素可能是终端电阻的阻值偏小，不能匹配网络，或者是节点过多导致。造成上升、下降沿过慢现象的主要因素是CAN总线通信距离过长或者终端电阻阻值匹配过大造成。这些测试出来的故障应该尽可能地在汽车研发的测试阶段解决，如果一旦在汽车生产线上出现或者在售后出现，对于这类故障是很不好解决的，并且这些测试也应该在研发阶段对汽车CAN总线网络上的各个ECU进行，对ECU在CAN总线通信的软件、硬件进行评估。

    如图9所示，现象为CAN总线上出现正向反射和负向反射与正常状态的波形对比，可以从波形上看出在CAN总线物理层的总线电平和信号沿方面的不同，导致这种现象的主要原因是终端电阻不匹配或者不连续，信号在传输的过程中遇到电阻阻值过小，在这些地方形成了正向和负向反射。


    CAN总线技术有助于解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通信，不仅减少网络站点的数量和导线的用量，降低汽车总质量，汽车的装配工序也更为简化，而且增强了网络信息传输的可靠性。网络技术的引入也给网络节点在通信安全稳定方面带来了一些问题。比如，网络上的节点突然掉线，其他需要与之通信的节点并未预知这种情况，它们会毫无意义地等待掉线节点的应答或数据传输，造成资源浪费，甚至有可能产生其他严重问题，而且，节点本身也要有监测本身是否在线的能力。为了在任何2个CAN仪器之间建立兼容性，并能在通信过程中进行数据传输和解析，CAN总线被细分为以下不同的层次：物理层（Physical Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、交互层（Interaction Layer）。根据在不同层次下的特性，对汽车CAN总线网络结构进行测试研究及分析。

    1  CAN总线物理层
    CAN总线物理层是基于IS011898-2国际标准要求，对CAN总线的底层协议进行定义，根据CAN总线物理层的规定，设计CAN总线的节点结构，如图1所示。

    在CAN总线节点中，CAN收发器应该符合IS011898-2标准，总线通信的最高速率为1 Mbps，能够抗环境瞬间干扰，具有保护总线的能力，并且能对CAN总线信号的斜率进行修正和控制，降低射频干扰RFI，内部具有热保护以及电源和搭铁短路保护电路，低电流状态下进入待机模式，未上电的节点对总线不会造成影响。CAN收发器工作原理如图2所示。

    对被测单元或者网络配接测试设备，建立测试系统和操作界面，对整体网络进行测试和分析。如图3所示。

    1.1  CAN总线物理电平测试
    CAN总线信号是以物理电平为载体传输的，信号使用差分电压传送，两条信号线被称为CAN一和CAN -L，物理电平直接决定了CAN总线信号能否正常传输，如表1、图4所示。



    CAN总线物理电平通过物理值和逻辑值两种方式体现，通过使用CANscope对CAN总线的物理波形进行采集和分析，将设备接入到CAN总线网络中，将总线报文进行筛选和评估。表2为高速CAN总线显性和隐性电压测试评估的指标。表3为低速CAN总线显性和隐性电压测试评估的指标。



    1.2 CAN总线电平沿信号测试
    CAN总线物理电平的信号沿斜率确保CAN物理层在电压载体上的正常传输，虽然一般收发器都具有斜率修正和控制功能，但对于信号沿的测量仍然需要精确要求。信号沿太陡会使电平信号变化的时间太短，会引起电压冲击，导致EMC问题；信号沿太缓会使信号变化辨识度下降，严重时会产生错误帧，导致CAN总线通信问题，如图5所示，测量CAN总线信号沿波形，上升沿的上升时间为160 ns，下降沿的下降时间是240 ns。

    1.3  CAN总线终端电阻测试
    终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射，在通信过程中，有两种原因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通信电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。引起信号反射的另外一个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通信线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。为了提高网络节点的拓扑能力，CAN总线两端需要接有120Ω的抑制反射的终端电阻，它对匹配总线阻抗起着非常重要的作用，如果忽略此电阻，会使数字通信的抗干扰性和可靠性大大降低，甚至无法通信，对于终端电阻的测量，需要在CAN总线网络上的各个ECU以及整个网络上进行。如图6所示。

    为了对CAN总线网络系统进行全面测试，对CAN总线网络进行故障注入和故障干扰，模拟CAN总线网络中所能够出现的故障状态，具体故障状态如图7所示。

    在搭建的测试系统中，上述的故障注入主要是用于CAN总线网络的故障模拟，最大程度地模拟真实的网络故障。导致实际故障的原因可能有很多，需要通过模拟故障并进行测试和分析，积累故障现象和表现状态。在CAN总线物理层的测试过程时，如图8所示，现象为电压幅值过小，CAN总线上的波形故障状态与正常状态的对比，可以清晰地看出在CAN总线物理层的总线电平和信号沿体现的特性，导致这种现象的因素可能是终端电阻的阻值偏小，不能匹配网络，或者是节点过多导致。造成上升、下降沿过慢现象的主要因素是CAN总线通信距离过长或者终端电阻阻值匹配过大造成。这些测试出来的故障应该尽可能地在汽车研发的测试阶段解决，如果一旦在汽车生产线上出现或者在售后出现，对于这类故障是很不好解决的，并且这些测试也应该在研发阶段对汽车CAN总线网络上的各个ECU进行，对ECU在CAN总线通信的软件、硬件进行评估。

    如图9所示，现象为CAN总线上出现正向反射和负向反射与正常状态的波形对比，可以从波形上看出在CAN总线物理层的总线电平和信号沿方面的不同，导致这种现象的主要原因是终端电阻不匹配或者不连续，信号在传输的过程中遇到电阻阻值过小，在这些地方形成了正向和负向反射。


    3 结论

    对于CAN总线网络在不同层次下的特性，通过建立测试系统和测试界面，对各个层次进行系统全面的测试。在CAN总线网络中ECU较多，而且在汽车上一般会同时存在多个网络，网络结构比较复杂，每个网络中的ECU都会发送和接收很多报文，而且各个网络之间要进行大量的数据传输和交换，因此CAN总线网络的测试和数据分析显得尤为重要。通过上述对CAN总线网络的测试，可以对CAN总线硬件接口、网络线束、总线协议和数据交互进行专项测试和分析，通过测试的数据和波形，来分析CAN总线网络在物理层、数据链路层、交互层的通信品质，提高汽车CAN总线网络的实时性和可靠性。
    根据CAN总线协议的特点和底层原理，可以对汽车CAN总线网络上的故障和异常进行深度测试，从中发现在CAN总线网络中的各个节点或者线束的干扰。通过对测试结果的研究和分析，修正CAN总线网络中软件或者硬件的缺陷，并提升整个CAN总线网络的通信数据及信号品质。