如何进行CAN信号质量评估

摘要：CAN总线广泛应用于汽车电子、现代工业及军工航空等安全要求较高的领域，优质的CAN信号是各节点稳定通信的基础，那么，如何判断总线信号质量的优劣呢？我们可以对信号做一次质量评估。

一、为什么要评估检查CAN信号的质量？

信号质量较差的CAN信号，可能会导致发送或接收节点无法正确识别信号电平，使通信受到影响。信号质量评估是分析CAN通信信号质量的一种有效手段，对单节点进行信号质量评估，能直观反映节点信号电平质量的好坏；对CAN网络进行信号质量评估，能直观地比较各节点信号质量情况，便于问题的分析和定位。

二、CAN信号质量评估的相关概念

CAN节点是通过差分信号进行通信的，因此，信号质量的评估对象为CAN差分信号的波形。信号质量评估即对差分信号波形的幅值、斜率及扰动等元素按照一定的规则进行综合评估，得到的质量评估结果，以百分比的形式呈现。信号质量评估参数图如图1所示：

图1  信号质量评估参数图

l 无干扰电压范围

无干扰电压范围是指待评估差分波形段中显性位电平的最小值和隐性位电平的最大值之间的差值。

l 峰峰值

峰峰值是指波形中最大值和最小值的差值。

l 斜率

斜率即信号边沿时间，是波形中信号电平变换时所经历的时间，包括上升沿和下降沿。

三、信号质量评估方法

1、斜率评估

全面评估CAN总线电平的信号质量，边沿时间的评估是不可或缺的，过于平缓的边沿会导致接收节点采样错误。如图2所示的波形，边沿明显过于平缓。

图2  信号边沿过于平缓现象

斜率评估计算公式如下：

由计算公式可知，当边沿过于平缓，即边沿时间占位时间的比例越大时，则评分越低；当边沿时间达到位时间的50%时，评分为0%，这时位信号已经严重畸变，影响节点对位电平的识别。

2、幅值评估

信号质量的好坏与信号的幅值（幅值是指顶部值与底部值之间的差值）密切相关，幅值对应的顶部值和底部值需在ISO 11898-2定义的范围之内，否则可能导致无法正常通信。

图3  ISO11898-2 显性差分电平参考范围

图4  ISO11898-2 隐性差分电平参考范围

幅值异常，会使CAN通信的容错性降低，如图5所示，幅值对应的顶部值只有1.2V左右，低于ISO 11898-2定义的最小值。

图5  CAN差分信号幅值过低

幅值评估公式如下：

1） 无干扰电压范围

2） 幅值评分

由计算公式可知，幅值的评估与无干扰电压范围密切相关，当无干扰电压范围为1V时，评分最小，为0%；而2.2V为无干扰电压范围的最优值，对应评分为100%。

3、扰动评估

信号在波形顶部值和底部值的抖动直观地反映了信号受到的干扰情况，即往往会使波形出现预冲和过冲现象。

图6  信号预冲现象

图7  信号过冲现象

信号扰动按照如下公式进行评估：

由计算公式可知，当峰峰值与无干扰电压范围越接近时，评分越高，此时表征信号波形的预冲、过冲较小，当峰峰值和无干扰电压范围相等时，评分为100%。

4、综合质量

由以上三部分得到信号质量评估的综合结果，计算公式如下：

注：1/3可看作三大信号质量评估内容的权重，它们一般使用相同的权值。

5、注意事项

1、信号质量的评估应以差分波形的波形段为单位，且波形段中应包含上升沿、下降沿、顶部值以及底部值等波形元素。

2、根据CAN通信的原理，仲裁场和ACK场期间，多个节点可能同时进行信号的传输，这两个位场不宜参与信号质量的评估，因为用于评估的波形应该属于同一个节点，这样才能保证评估结果表征的是同一个节点。

3、仅对标准数据帧和扩展数据帧且有完整波形的报文进行评估，评估的波形为差分波形。

四、信号质量自动化评估

以下是以广州致远电子有限公司的CAN总线分析仪进行信号质量评估的操作方法。

第一步，用CAN总线分析仪采集DUT一定数量的报文。

图8 CAN报文采集

第二步，点击报文菜单区的“信号质量”图标，设置好参数后点击“开始评估”按钮。等待分析完毕后得到结果，如图9。

图9 信号质量评估结果

软件对评估结果支持多种分类和显示方式，便于分析定位问题，充分利用该功能可以迅速地定位问题节点。如图10是采集两个节点的通信报文进行信号质量评估的结果，节点1的报文ID段最后一个字节均为0xF4，节点2的报文ID段最后一个字节均为0x56。

图10 多个节点的信号质量比较

由信号质量评估结果可以知道,节点2的信号质量较差，需要采取一定的措施改善其信号的质量，以保证通信的可靠性。

总结：

CAN总线电平信号的质量评估检测有助于排查总线故障，定位故障节点，从而改善及提升CAN总线系统通信的稳定性。