【汽车总线技术】PCAN-Diag FD简介及其应用 ——手持式CAN/CAN FD总线诊断设备

1.PCAN-Diag FD简介

PCAN-Diag FD是一个手持式的CAN/CAN FD总线检测设备，适用于现场诊断CAN/CAN FD总线的故障。

PCAN-Diag FD可以监控CAN/CAN FD总线的通信情况，可以检测总线波特率，测量总线负载、终端电阻值、CAN_H和CAN_L的电压；支持数据库解析报文；集成了CAN总线记录的功能，因此也可以作为一个CAN记录仪来使用；也具有示波器的功能，可以触发和捕捉CAN/CAN FD的波形。

2.检测波特率

波特率（也称位定时，就是信号位的最小脉宽）是CAN 总线通讯的最基本要素。如果波特率不匹配或者波特率有所偏差，会导致识别信号的错误，造成无法通讯或者通讯异常。所以任何情况下，对异常的CAN 总线进行测试，首先都要测试波特率的准确性。波特率偏差主要发生在如下情况：使用了非整数值的晶振（比如11.0592MHZ）、极端温度导致晶振偏差、CAN 控制器内部波特率发生器偏差。

一旦波特率有所偏差就会导致出错的概率大大增加，重发的无效数据次数增多，数据传输延迟等现象，降低了CAN 重同步纠错能力。所以保证准确的波特率是CAN 通讯中最重要的因素。

诊断仪支持基于一个固定值列表自动探测比特率，这个固定值列表可以是由 14 个预设值和已定义的用户自定义值（最多 8 个）组成。另外，总线上有数据流才能检测波特率。

另外，诊断仪集成双通道示波器功能，支持分辨率达到 50ns 的时间测量，用户通过测量 CAN 信号最窄波形时间段值（位宽度）获知通讯波特率。波特率是位宽度的倒数。

解决措施：
1）将总线上每个节点单独上电，自动探测比特率，或者使用诊断仪集成的示波器单独测量位宽度，找到故障节点，亦对其程序中的位定时寄存器或者晶振进行修正为正确位时间。
2） 如果无法修改故障节点的程序，或者已经是同样的波特率还是无法正常通讯。这时需要考虑到可能是采样点不一致导致。所以建议修改正常节点的程序。需要提高正常节点波特率寄存器中的同步跳转宽度 SJW 值（加大到 3 个单位时间），则可以加大位宽度和采样点的容忍度。

3.测量终端电阻

高速 CAN 总线（ISO11898-2）必须在 CAN 线 CAN_L 和 CAN_H 之间的两端使用 120 欧姆电阻进行终止。这项措施将防止在电缆两端信号反射并且保证并联到 CAN 总线的 CAN 收发器工作正常。

两个终端电阻并联得到 60 欧姆的总阻值，总电阻的测量提供了有关正确的 CAN 总线终止信息。

诊断仪内置 120 欧姆终端电阻，可启用和关闭终端电阻，可重复测量，支持系统运行中测量。

4.测量引脚电压

诊断仪的 CAN 接口是 D-Sub 9 针连接器，引脚电平测量功能支持测量出 D-Sub 连接器每个引脚的电压值

如上图，选择测量 CAN_L和 CAN_H 两个引脚的电平。当一个高速 CAN 收发器

处于空闲状态（无 CAN 流量），信号线 CAN_H和 CAN_L上的电压大约 2.5V。如果所测量的电压差异显著，则电缆连接或 CAN 节点的 CAN 收发器可能存在问题。

解决措施：
查看电缆连接或 CAN 节点的 CAN 收发器是否存在问题。

5.总线状态查看

错误状态和计数值的关系：

6.测试总线负载

CAN 总线本质上还是半双工通讯，就是“单行道”，即一个节点发送的时候其他节点无法发送数据。虽然 CAN 报文 ID 有优先级的区分，但如果高优先级一直占用总线，导致低优先级的节点就无法发出数据，这就是堵塞现象。所以控制流量，防止堵塞是总线健康正常通讯的基本要素。

拥堵的还有一个重要的危害就是发生报文竞争，导致仲裁。在仲裁结束时，容易产生尖峰脉冲，有导致位翻转的隐患，特别是在容抗较大场合，容易导致位错误。

测量总线负载，通过时间负载图的方式显示，可选独立显示错误帧的总线负载。如下图， 黄色曲线图是总线负载平均值、红色曲线图是总线负载最大值。

如果总线平均负载都没有超过30%，则说明总线流量较好，没有明显的拥堵情况； 如果总线最大负载超过70%，则说有堵塞情况，建议进行流量分析整改。

如果总线平均负载都在 70%以上，则说明总线严重拥堵，必须进行流量分析整改

解决措施：
流量分析整改，针对传统的CAN2.0可以采取以下措施应对高总线负载情况：
﹂ 提高总线上的所有 CAN 节点的通讯波特率（注意会缩短通讯距离，有可能导致通讯异常），
﹂ 增加 CAN 网络内报文发送的周期时间，从而减少它们的出现（每个周期时间内更少的 CAN 报文）

如果是新开发CAN总线节点，可以考虑使用CAN FD。

7.CAN/CAN FD电平测量

使用诊断仪 Scope 功能测量 CAN 信号电平，可测 CAN-H、CAN-L 和 CAN-Diff 信号的电平值。如下图，直接从 Scope 显示区查看 CAN 波形的电平值。显示区通过游标可以显示出每个每个位置CAN_H和CAN_L的。

CAN 总线上面的信号值是接收节点能正确识别逻辑信号的保证。一般来说差分电平CAN diff=CAN_H-CAN_L 的幅值只有大于 0.9V 才能被 100%识别为显性电平，同理如果幅值低于 0.9V 就有被识别出隐形电平的可能。

上表中 0.5V~0.9V 是不确定区域，这个根据不同收发器而异，与温度也有关系。
ISO11898 规定了 CAN 电平的范围：

与 ISO11898 规范进行对照，标定节点的 CAN_H、CAN_L 和 CAN_diff 是否在 ISO-11898规范规定的范围内。当然这个幅值与终端电阻有着密切的关系，如下表。

解决方案：
1、测试结果如果幅值超过规定范围，先确认终端电阻是否没加或者只加了 1 个。确定已经有 2 个 120 欧，则说明节点的 CAN 收发器供电过高，导致输出幅值过高。这个原因有可能是给 CAN 收发器供电的 DC-DC 输出过高（一般隔离 DC-DC 为了保证带负载能力，都会输出高一点电压），可以通过在 DC-DC 输出并联负载电阻的方式降低供电电压。
2、如果幅值过低，则可能是供电电源过低，比如 5V 的 CAN 收发器却用 3.3V 供电。或者总线的终端电阻过小，或并得过多终端电阻。

8.CAN错误检测

先可以在总线状态那里查看当前网络是否有错误。如果总线有错误，则可以使用诊断仪的 Scope 功能捕捉错误帧，深入查看 CAN error。当然，也支持直接在接收显示区中标红显示接收的错误帧。

诊断仪 Scope 功能，触发捕捉波形，可以波形查看错误帧的波形。并且，标示出错误类型和帧 ID。

诊断仪接收显示区和状态区，可显示接收的错误帧、错误类型、帧 ID、错误状态和错误计数值。

错误的种类：位错误、填充错误、CRC 错误、格式错误、ACK 错误。

错误帧：用于在接收和发送消息时检测出错误通知错误的帧。错误帧由错误标志和错误界定符构成。错误标志包括主动错误标志和被动错误标志两种。主动错误标志：6 个位的显性位。被动错误标志：6 个位的隐性位。错误界定符由 8 个位隐性位构成。如下图，错误帧的构成：

错误帧的输出：
检测出满足错误条件的单元输出错误标志通报错误。
处于主动错误状态的单元输出的错误标志为主动错误标志；处于被动错误状态的单元输出的错误标志为被动错误标志。
发送单元发送完错误帧后，将再次发送数据帧或遥控帧。错误标志输出时序如下表所示。

9.监控和发送CAN/CAN FD报文

可以用PCAN-Diag FD设备用于CAN/CAN FD报文的接收和发送；
关于发送：可以手动发送，自动发送或者列表发送；
关于接收：正常显示是白色的，也可以标注特别关注的报文的颜色；如果显示红色的，就表示有CAN控制器报告的CAN总线错误

支持导入数据库文件，数据库文件解析接收的 CAN 报文为具体的物理量，数据库文件可以使.dbc 文件， 也可以是用户通过免费符号编辑软件编辑的符号文件symbol文件。
另外，启用不同的数据库文件，查看不同的报文，可用作过滤查看。

10.记录和回放

所有接收到的CAN报文，包括 RTR 帧和错误帧都可以存储到设备的内存卡中，内置的4G内存卡大概可以保存4亿条。

也支持将之前记录的文件回放到所连接的 CAN 总线上，会按照记录的文件保存期间的 CAN 时间戳来回放。

记录文件默认的是trc格式，在电脑上可以用文本打开，也可以用PEAK的相关软件如PCAN-View和PCAN-Explorer来打开或者分析；使用我们提供的格式转换工具，也可转换成.CSV 和.ASC 格式文件供第三方软件打开查看和分析。

三种格式的文件的特点和作用：
PCAN-Trace（.trc）：基于文本的PEAK-System的跟踪文件。可以在PCAN-Explorer（CAN报文分析软件）中查看数据或者在PCAN-Trace程序中回放CAN报文。建议：与PCAN-Diag有关的跟踪文件，我们推荐使用格式版本1.1，因为PCAN-Diag的记录只有一个通道，而且这个格式版本适用于PEAK-System的所有程序。
Vector ASC Trace（.acs）：Vector公司的基于文本的跟踪格式，也可用于很多第三方程序。
Character Separated Values (CSV)（.csv）：一种常见的基于文本的格式，用于导入电子表格（分号作为分隔符），这种格式的文件可以直接用excel打开。

11.方便快捷的配置工具

通过我们提供的PC端配置软件来配置设备，PCAN-Diag FD可以更快的适用于不同的应用。工程由PCAN-Diag FD Editor创建和修改，然后直接传到PCAN-Diag的内存卡中。如图所示为PCAN-Diag Editor的界面，在图中方框中各个标签下调整我们的设置。同时可以创建一个或多个CAN发送列表。比如创建一条ID=123，data=11h 22h 33h 44h 55h 66h 77h 88h；将创建好的工程导入内存卡之后，可以看到我们创建发送报文。

另外还可以在Symbols标签下添加一个用于工程的符号文件。在Scope Settings标签下，可以快速的设置示波器功能的记录和显示方式，比如将示波器当前的图形保存为BMP格式、Data格式、或者两种格式同时保存。

12. 关于虹科
    广州虹科电子科技有限公司（前身是宏科）成立于 1995 年，总部位于中国南方经济和文化中心—广州市。我们耕耘的领域包括测试测量、汽车电子、自动化、嵌入式开发工具和软件工程、数据采集、无线电通信与监测、网络可视化。我们除了销售产品之外，还为中国客户提供二次开发、维护、测试和培训服务。
    目前我们在广州、北京、上海、西安、成都、武汉、深圳、香港和伦敦设有分支机构。

主要产品有：
1、汽车总线工具方面
a)德国PEAK-System的CAN分析工具；
b)德国Lipowsky的Baby-LIN系列LIN总线仿真分析工具；
c)德国益驰的CAN总线仿真分析工具；
d)英国Influx数采模块和数据记录仪。
2、测试测量方面
a)英国PicoScope汽车诊断示波器；
b)英国Pickering Interfaces的产品：主要是有信号开关与程控电阻，架构形式有PCI，PXI，LXI，GPIB；分类有：通用、矩阵、多路复用、射频与微波模块，故障注入开关，光纤开关等；
c)美国Marvintest solution基于PXI/PXIe的功能模块和系统，主要有：数字I/O、 FPGA、万用表、模拟板卡、信号源、电源、机箱、控制器、ATeasy开发软件，半导体测试系统等；
d)意大利AT、美国DS信号源等。
3、工业自动化方面
a)德国SYSTEC的CANopen源代码，PLC Core；
b)德国KUNBUS的模块化工业网关，工业以太网和现场总线通讯接口嵌入式模块；
c)德国KPA的EtherCAT网络开发、安装和诊断工具，EtherCAT主站、从站协议栈；
d)其它还有Helmholz（赫姆赫兹），Softing，PROCENTEC等；
e)德国Microcontrol的坚固性数采模块。
4、数据采集方面
主要用于测量和/或记录温度、湿度、压力、振动，光照，CO2，4-20mA，0-10V等的传感器/变送器，数据记录仪，温度记录仪，中央环境监测系统等。
a)药品供应链的温度等监测解决方案：主要品牌瑞士ELPRO，PDF温度/湿度记录仪，完全符合GxP法规；
b)数据记录仪：主要品牌瑞士MSR（微型记录仪），欧洲Comet，瑞士ELPRO；
c)工业变送器和传感器：主要品牌欧洲Comet。输出可选RS232，RS485，以太网，PoE，4-20mA，0-10V，继电器；
d)中央环境监测系统：主要品牌瑞士ELPRO，欧洲Comet。
5、无线电通信与监测方面
a)拉脱维亚SAF的手持式频谱仪；
b)加拿大thinkRF的模块化频谱仪；
c)意大利Rover用于卫星通信的射频光纤链路、合路器/分路器、转发器矩阵、冗余开关等；
d)瑞典PROGIRA广播网络规划、频谱规划、在线可视化网络覆盖等的软件解决方案；
e)德国Novotronik用于音频、高频信号切换和分配的开关矩阵、多路耦合器、放大器等定制解决方案。
6、网络安全与可视化
a）网络可视化产品：主要品牌Cubro，Profitap，Ntop，包括网络数据包代理，分路器，旁路交换机，云交换机，网络探针，网络设备管理平台，网络流量分析器，多合一网络分析工具等；
b）软件安全：主要品牌Veracode，包括静态分析SAST，动态分析DAST，软件开发组件分析SCA，交互测试分析IAST等等；
c）时间同步：主要品牌Elproma，提供NTP PTP/IEEE1588 IRIG网络时间同步解决方案。