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地鐵列車CAN總線通訊信號質量檢驗分析

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,其中我們測試點位于空調控制器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

通過【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小于標準的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,與兩個并聯的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,并通過使能端控制其工作;
  • (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:通過眼圖看,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

  • (1)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。通過前面的分析,是由于阻抗不連續導致。而產生阻抗不連續,是總線終端電阻安裝位置錯誤;
  • (2)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于5.1歐;
  • (3)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,遠低于16V/us的規范值,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,保證阻抗小于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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