地鐵列車CAN總線通訊信號質量檢驗分析
日期：2017-12-28
文: 致遠電子
軌道交通地鐵車輛中，目前已經大量使用CAN總線通訊。利用其出色的實時性與糾錯能力，提升了車輛各部件的控制效率和可靠性。但在地鐵運營中，某些線路也會出現偶發的CAN通訊不暢，節點掉線情況。故廣州致遠電子的工程師攜帶CANScope總線分析儀赴某地鐵線路，進行現場檢驗分析，如圖1所示。
圖1 測試現場
現場總線拓撲結構：如圖2所示，為6節編組的地鐵車輛，其中我們測試點位於空調控制器CAN接口位置，主要測試這段CAN總線的信號通訊質量。
圖2 地鐵車輛網絡拓撲圖
支援【眼圖時間測量】，對全部波形做眼圖，測量結果可見波形邊沿過緩，有部分波形上升沿有較大的振鈴，下降沿有較大的地彈現象，說明總線上有信號不連續的部分。差分電平幅值為1.5V小於標準的2.0V的ISO11898-2標準。
圖3 眼圖位寬幅值測量
1.空調發出波形的分析
。從空調發出的CAN幀ID為：0x331,0x332,0x333，選取其中一個ID為0x331的報文，波形如圖4所示。可見有差分電平有明顯的"地彈"現象
圖4 幅值分析
。將ID為0x331,0x332,0x333的幀波形做眼圖，如圖5所示。可清晰看到CAN波形幅值為1.5V（那些高幅值的是和其他幀仲裁時抬高的）
圖5 空調發出波形的眼圖
分析：CAN差分波形邊沿陡峭，邊沿清晰，但幅值只有1.5V，比標準CAN差分電平（兩個120歐終端電阻時）的2.0V少0.5V，有兩種可能：
- （1）此CAN接口上CANH和CANL上可能各串聯了10歐左右的電阻，與兩個並聯的120歐產生分壓，讓實際發出的波形只有1.5V；1、帶功放的電路，並支援使能端控制其工作；
- （2）本網絡中終端電阻多添加了1個120歐，即總線中有3個120歐電阻，導致電壓幅值降低到1.5V。
- 從波形看，還有很明顯的"地彈"現象，說明空調CAN接口位置阻抗不連續。有可能其位置是實際的終端，但終端電阻不在它上面，或者其位置為較長分支的末端。
2.CAN主控發出的波形
CAN主控發出的CAN幀ID為0x200,0x231。選取其中一個ID為0x200的報文，波形如圖6所示
圖6 CANopen主控發出的波形
將ID為0x200,0x231的幀波形做眼圖，如圖7所示。可清晰看到從CAN主控發出的CAN波形到達空調CAN接口時的幅值為1.8V（測量點在網卡這邊，那些高幅值的是和其他幀仲裁時抬高的）。上升沿緩，下降沿有波形駐留。
圖7CANopen主控發出的波形眼圖
分析：測試點測出的差分電平幅值為1.8V，也比標準的2.0V少0.2V，可能是CAN主控在CANH和CANL上也串聯了電阻，或者是傳輸導線、接頭有一定的壓降導致。
CAN差分波形上升沿緩慢說明從CAN主控到空調CAN接口的導線阻抗較大。下降沿有波形駐留，也是因為空調CAN接口其位置是實際的終端，但終端電阻不在它上面，或者其位置為較長分支的末端。
3.實際接終端電阻位置的節點
。如圖8所示。為實際接了終端電阻的節點波形
圖8 CAN幀ID為0x30E的波形
。對其做眼圖如圖9所示
圖9 CAN幀ID為0x30E的眼圖
"分析：支援眼圖看，其下降沿陡峭下降到0，但隨即發生"地彈"，說明其上面安裝了終端電阻，但它不是實際的終端，而從實際終端反射過來的波導致"地彈
綜上所述
- 系統的CAN波形存在比較嚴重的"地彈"現象，有導致位錯誤的風險。支援前面的分析，是由於阻抗不連續導致。而產生阻抗不連續，是總線終端電阻安裝位置錯誤；
- 空調CAN接口上串聯過大的電阻導致分壓。差分電壓幅值只有1.5V，容易在溫度變化、線路老化或者電壓波動時，導致位錯誤甚至通訊不上。請控制串聯電阻不要大於5.1歐；
- 傳輸導線或者接頭阻抗過大。導致上升斜率過緩，只有3.55V/us，遠低於16V/us的規範值，容易在溫度變化或者長期運行時，導致重同步失敗的位錯誤或者CRC校驗錯誤，甚至無法通訊。請檢查傳輸導線規格，與接頭電阻，保證阻抗小於0.02歐/m（或者等效為線徑為1.0mm2以上的屏蔽雙絞線）。
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