摘要：使用CANScope測量CAN總線信號，在干擾很嚴(yán)重的情況下會出現(xiàn)CAN總線波形解碼與CAN報(bào)文解碼不一致的情況，具體表現(xiàn)為某些正確報(bào)文對應(yīng)的波形解碼卻是錯(cuò)誤的，或者收到的錯(cuò)誤報(bào)文對應(yīng)的波形解碼卻是正確的，如圖1中，幀ID為0x721的正確報(bào)文對應(yīng)的波形解碼卻為CRC錯(cuò)誤。本文將對這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及其存在的意義進(jìn)行詳細(xì)的說明。
圖1 報(bào)文解碼與波形解碼不一致
一、解碼差異錯(cuò)誤的主要原因
CANScope對CAN信號的處理包含2部分：報(bào)文處理部分和波形處理部分。報(bào)文處理部分通過CAN收發(fā)器將總線上的CANH和CANL差分信號轉(zhuǎn)成單端的數(shù)字信號RXD，再使用專用的CAN控制器接收RXD信號并進(jìn)行CAN協(xié)議解碼，最后將解碼后的報(bào)文進(jìn)行接收存儲；波形處理部分通過信號調(diào)理電路將CAN總線信號進(jìn)行隔離等必要的處理后通過ADC電路將模擬信號數(shù)字化后順序保存，完成對波形信號的采集。
圖2 CAN總線信號處理
如圖2所示，報(bào)文處理和波形處理兩部分的電路和控制是完全獨(dú)立的，CAN信號經(jīng)過這兩部分電路之后會有所差異，主要的不同在于：1、經(jīng)過收發(fā)器之后的信號延時(shí)和經(jīng)過信號調(diào)理電路的延時(shí)不同，但這個(gè)不同對解碼的影響比較小，本文不做討論；2、CAN收發(fā)器內(nèi)部有遲滯比較器，具有相當(dāng)于低通濾波器的功能，能通過的信號帶寬不高，而波形采集由于需要觀測高頻干擾等信號，要求信號調(diào)理電路的帶寬比較高，所以帶寬的差異對后續(xù)解碼的差異影響比較大。
如圖3所示，帶有高頻尖脈沖干擾信號的總線信號CANH和CANL，在經(jīng)過低帶寬的收發(fā)器后，其攜帶的干擾信號被濾除（輸出的RXD信號是無干擾的數(shù)字信號）；而同樣的CANH和CANL信號，在經(jīng)過高帶寬的信號調(diào)理電路后，其攜帶的干擾信號依然保留（波形采集模塊采集到有干擾的CANH和CANL信號后，經(jīng)過軟件差分后，得到的差分信號依然存在干擾，所以軟件轉(zhuǎn)換后的邏輯信號依然存在干擾）。
圖3 波形差異
根據(jù)以上分析，干擾信號的存在使得后續(xù)的CAN波形解碼會出現(xiàn)與報(bào)文解碼不同的情況。我們繼續(xù)往下深究：是否有干擾信號就一定會導(dǎo)致波形解碼與報(bào)文解碼不同呢？其實(shí)也不然，這還得從CAN總線的采樣規(guī)則說起。
二、CAN總線采樣規(guī)則
CAN控制器先將高頻時(shí)鐘進(jìn)行預(yù)分頻，生成較低頻率的時(shí)鐘信號，這個(gè)時(shí)鐘信號的周期定義為1個(gè)時(shí)間份額，1位CAN信號的碼元寬度包含有數(shù)倍的時(shí)間份額，如控制器時(shí)鐘頻率為16MHz，預(yù)分頻為8MHz的時(shí)鐘，則1個(gè)時(shí)間份額為125ns，對于1M波特率的CAN信號，1位CAN信號的碼元寬度即為8個(gè)時(shí)間份額。
以1個(gè)時(shí)間份額為最小單位，將1位CAN信號碼元分為3段：同步段、相位段1、相位段2。同步段固定為1個(gè)時(shí)間份額，相位段1和相位段2可設(shè)置成不同參數(shù)，控制器在相位段1和相位段2之間對CAN總線進(jìn)行采樣。
圖4 采樣點(diǎn)位置
當(dāng)干擾信號出現(xiàn)的位置不在采樣點(diǎn)位置時(shí)，解碼是不會因?yàn)楸桓蓴_而出現(xiàn)錯(cuò)誤的，只有當(dāng)干擾信號剛好位于采樣位置時(shí)，解碼才會因?yàn)楦蓴_而出現(xiàn)錯(cuò)誤。
圖5 干擾位置
CAN總線通常工作在比較惡劣的環(huán)境中，常常有干擾信號的存在，CAN總線組網(wǎng)時(shí)為了保證解碼的一致性，要求所有節(jié)點(diǎn)的采樣點(diǎn)位置設(shè)置應(yīng)該一致。CANScope中的報(bào)文處理和波形處理兩部分電路可看成2個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，CANScope的波形解碼的采樣點(diǎn)位置設(shè)置是跟報(bào)文解碼的采樣點(diǎn)位置保持一致的，然而，當(dāng)高頻干擾信號出現(xiàn)在采樣點(diǎn)位置時(shí)，即使是在相同采樣點(diǎn)位置進(jìn)行采樣，因?yàn)椴ㄐ翁幚砗蛨?bào)文處理電路的帶寬差異，還是有較大概率出現(xiàn)波形解碼和報(bào)文解碼不一致的現(xiàn)象。
三、軟件邏輯濾波
CANScope采用軟件濾波的方式，即對采集到的CAN總線模擬波形信號經(jīng)過軟件差分和邏輯化后的數(shù)字信號進(jìn)行軟件濾波，濾波后允許通過的信號帶寬隨著波特率的不同而不同，波特率越小，濾波后允許的信號帶寬越??；通過這樣的濾波處理，最大程度提高了對干擾信號的容忍度，甚至在報(bào)文解碼出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況下仍然能對波形做出正確的解碼。這樣，在干擾很嚴(yán)重的情況下就可能會出現(xiàn)文章開頭所說的報(bào)文解碼正確而波形解碼錯(cuò)誤或者報(bào)文解碼錯(cuò)誤而波形解碼正確的現(xiàn)象。
四、解碼差異存在的意義
使用過CAN卡的人可能會有這樣一個(gè)印象：在使用CAN卡的過程中，幾乎遇不到有些節(jié)點(diǎn)收到正確報(bào)文而有些節(jié)點(diǎn)收到錯(cuò)誤報(bào)文的現(xiàn)象，因?yàn)橹灰粋€(gè)節(jié)點(diǎn)（處于錯(cuò)誤主動(dòng)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)）收到錯(cuò)誤報(bào)文，其它所有節(jié)點(diǎn)都會收到錯(cuò)誤報(bào)文，最多就是錯(cuò)誤的類型不同而已。這一點(diǎn)跟CANScope的報(bào)文解碼和波形解碼的差異現(xiàn)象是不同的，那這又是何原因呢？這是因?yàn)檎５腃AN網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)解碼到有錯(cuò)誤時(shí)，會向總線發(fā)出錯(cuò)誤幀破壞當(dāng)前報(bào)文，從而導(dǎo)致所有節(jié)點(diǎn)都接收到錯(cuò)誤報(bào)文。與之不同的是，CANScope作為測量設(shè)備，只對CAN總線進(jìn)行監(jiān)聽和采集，不影響CAN總線，將總線上的波形細(xì)節(jié)（包括波形細(xì)節(jié)導(dǎo)致的解碼差異）盡可能地展示出來，這正是解碼差異存在的意義。
圖6 解碼錯(cuò)誤不影響總線
如圖6所示，CAN總線被嚴(yán)重干擾，CANScope的報(bào)文解碼出錯(cuò)，但這時(shí)CANScope并不會向總線發(fā)出錯(cuò)誤幀，而其它節(jié)點(diǎn)沒有解碼出錯(cuò)，當(dāng)前幀被正常應(yīng)答并正常完成傳輸，這些情況可通過波形及波形解碼全部展現(xiàn)出來且不影響CAN總線網(wǎng)絡(luò)。
總結(jié)：
使用CANScope測量CAN總線信號，在總線信號干擾很嚴(yán)重的情況下會出現(xiàn)CAN波形解碼與CAN報(bào)文解碼不一致的情況，這是由于CANScope獨(dú)立兩路的報(bào)文處理和波形處理所導(dǎo)致，而CANScope作為測量設(shè)備，只對CAN總線進(jìn)行靜默監(jiān)聽，不影響CAN總線，并將總線上的波形細(xì)節(jié)（包括波形細(xì)節(jié)導(dǎo)致的解碼差異）盡可能地展示出來，這正是CANScope的價(jià)值所在。