為何會(huì)出現(xiàn)CAN波形解碼和報(bào)文解碼不一致的現(xiàn)象？

使用CANScope測(cè)量CAN總線信號(hào)，在干擾很?chē)?yán)重的情況下會(huì)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的波形解碼卻為CRC錯(cuò)誤。本文將對(duì)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(shuō)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(duì)CAN信號(hào)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(guò)CAN收發(fā)器將總線上的CANH和CANL差分信號(hào)轉(zhuǎn)成單端的數(shù)字信號(hào)RXD，再使用專用的CAN控制器接收RXD信號(hào)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(chǔ)；波形處理部分通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路將CAN總線信號(hào)進(jìn)行隔離等必要的處理后通過(guò)ADC電路將模擬信號(hào)數(shù)字化后順序保存，完成對(duì)波形信號(hào)的采集。

圖2  CAN總線信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)這兩部分電路之后會(huì)有所差異，主要的不同在于：1、經(jīng)過(guò)收發(fā)器之后的信號(hào)延時(shí)和經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的延時(shí)不同，但這個(gè)不同對(duì)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(guò)的信號(hào)帶寬不高，而波形采集由于需要觀測(cè)高頻干擾等信號(hào)，要求信號(hào)調(diào)理電路的帶寬比較高，所以帶寬的差異對(duì)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(hào)的總線信號(hào)CANH和CANL，在經(jīng)過(guò)低帶寬的收發(fā)器后，其攜帶的干擾信號(hào)被濾除（輸出的RXD信號(hào)是無(wú)干擾的數(shù)字信號(hào)）；而同樣的CANH和CANL信號(hào)，在經(jīng)過(guò)高帶寬的信號(hào)調(diào)理電路后，其攜帶的干擾信號(hào)依然保留（波形采集模塊采集到有干擾的CANH和CANL信號(hào)后，經(jīng)過(guò)軟件差分后，得到的差分信號(hào)依然存在干擾，所以軟件轉(zhuǎn)換后的邏輯信號(hào)依然存在干擾）。

圖3  波形差異

根據(jù)以上分析，干擾信號(hào)的存在使得后續(xù)的CAN波形解碼會(huì)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(hào)就一定會(huì)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(shuō)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(hào)，這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的周期定義為1個(gè)時(shí)間份額，1位CAN信號(hào)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(duì)于1M波特率的CAN信號(hào)，1位CAN信號(hào)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(hào)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(duì)CAN總線進(jìn)行采樣。

圖4  采樣點(diǎn)位置

當(dāng)干擾信號(hào)出現(xiàn)的位置不在采樣點(diǎn)位置時(shí)，解碼是不會(huì)因?yàn)楸桓蓴_而出現(xiàn)錯(cuò)誤的，只有當(dāng)干擾信號(hào)剛好位于采樣位置時(shí)，解碼才會(huì)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(hào)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(hào)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(duì)采集到的CAN總線模擬波形信號(hào)經(jīng)過(guò)軟件差分和邏輯化后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行軟件濾波，濾波后允許通過(guò)的信號(hào)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(hào)帶寬越?。煌ㄟ^(guò)這樣的濾波處理，最大程度提高了對(duì)干擾信號(hào)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(duì)波形做出正確的解碼。這樣，在干擾很?chē)?yán)重的情況下就可能會(huì)出現(xiàn)文章開(kāi)頭所說(shuō)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(guò)CAN卡的人可能會(huì)有這樣一個(gè)印象：在使用CAN卡的過(guò)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(huì)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(huì)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(cè)量設(shè)備，只對(duì)CAN總線進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)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(lái)，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(huì)向總線發(fā)出錯(cuò)誤幀，而其它節(jié)點(diǎn)沒(méi)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(guò)波形及波形解碼全部展現(xiàn)出來(lái)且不影響CAN總線網(wǎng)絡(luò)。

總結(jié)：

使用CANScope測(cè)量CAN總線信號(hào)，在總線信號(hào)干擾很?chē)?yán)重的情況下會(huì)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(cè)量設(shè)備，只對(duì)CAN總線進(jìn)行靜默監(jiān)聽(tīng)，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(lái)，這正是CANScope的價(jià)值所在。