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，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）。