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    地铁列车CAN总线通讯信号质量检验分析

    轨道交通地铁车辆中,目前已经大量使用CAN总线通讯。利用其出色的实时性与纠错能力,提升了车辆各部件的控制效率和可靠性。但在地铁运营中,某些线路也会出现偶发的CAN通讯不畅,节点掉线情况。故广州致远电子的工程师携带CANScope总线分析仪赴某地铁线路,进行现场检验分析,如图1所示。

    图1 测试现场

    现场总线拓扑结构:如图2所示,为6节编组的地铁车辆,其中我们测试点位于空调控制器CAN接口位置,主要测试这段CAN总线的信号通讯质量。

    图2 地铁车辆网络拓扑图

    通过【眼图时间测量】,对全部波形做眼图,测量结果可见波形边沿过缓,有部分波形上升沿有较大的振铃,下降沿有较大的地弹现象,说明总线上有信号不连续的部分。差分电平幅值为1.5V小于标准的2.0V的ISO11898-2标准。

    图3 眼图位宽幅值测量
    1.空调发出波形的分析

    从空调发出的CAN帧ID为:0x331,0x332,0x333,选取其中一个ID为0x331的报文,波形如图4所示。可见有差分电平有明显的“地弹”现象。

    图4 幅值分析

    将ID为0x331,0x332,0x333的帧波形做眼图,如图5所示。可清晰看到CAN波形幅值为1.5V(那些高幅值的是和其他帧仲裁时抬高的)。

    图5 空调发出波形的眼图

    分析:CAN差分波形边沿陡峭,边沿清晰,但幅值只有1.5V,比标准CAN差分电平(两个120欧终端电阻时)的2.0V少0.5V,有两种可能:

    • (1)此CAN接口上CANH和CANL上可能各串联了10欧左右的电阻,与两个并联的120欧产生分压,让实际发出的波形只有1.5V;1、带功放的电路,并通过使能端控制其工作;
    • (2)本网络中终端电阻多添加了1个120欧,即总线中有3个120欧电阻,导致电压幅值降低到1.5V。

    从波形看,还有很明显的“地弹”现象,说明空调CAN接口位置阻抗不连续。有可能其位置是实际的终端,但终端电阻不在它上面,或者其位置为较长分支的末端。

    2.CAN主控发出的波形

    CAN主控发出的CAN帧ID为0x200,0x231。选取其中一个ID为0x200的报文,波形如图6所示

    图6 CANopen主控发出的波形

    将ID为0x200,0x231的帧波形做眼图,如图7所示。可清晰看到从CAN主控发出的CAN波形到达空调CAN接口时的幅值为1.8V(测量点在网卡这边,那些高幅值的是和其他帧仲裁时抬高的)。上升沿缓,下降沿有波形驻留。

    图 7CANopen主控发出的波形眼图

    分析:测试点测出的差分电平幅值为1.8V,也比标准的2.0V少0.2V,可能是CAN主控在CANH和CANL上也串联了电阻,或者是传输导线、接头有一定的压降导致。

    CAN差分波形上升沿缓慢说明从CAN主控到空调CAN接口的导线阻抗较大。下降沿有波形驻留,也是因为空调CAN接口其位置是实际的终端,但终端电阻不在它上面,或者其位置为较长分支的末端。

    3.实际接终端电阻位置的节点

    如图8所示。为实际接了终端电阻的节点波形。

    图8 CAN帧ID为0x30E的波形

    对其做眼图如图9所示。

    图9 CAN帧ID为0x30E的眼图

    分析:通过眼图看,其下降沿陡峭下降到0,但随即发生“地弹”,说明其上面安装了终端电阻,但它不是实际的终端,而从实际终端反射过来的波导致“地弹”。

    综上所述

    • (1)系统的CAN波形存在比较严重的“地弹”现象,有导致位错误的风险。通过前面的分析,是由于阻抗不连续导致。而产生阻抗不连续,是总线终端电阻安装位置错误;
    • (2)空调CAN接口上串联过大的电阻导致分压。差分电压幅值只有1.5V,容易在温度变化、线路老化或者电压波动时,导致位错误甚至通讯不上。请控制串联电阻不要大于5.1欧;
    • (3)传输导线或者接头阻抗过大。导致上升斜率过缓,只有3.55V/us,远低于16V/us的规范值,容易在温度变化或者长期运行时,导致重同步失败的位错误或者CRC校验错误,甚至无法通讯。请检查传输导线规格,与接头电阻,保证阻抗小于0.02欧/m(或者等效为线径为1.0mm2以上的屏蔽双绞线)。

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