CAN FD 眼图模板测试

序言

眼图模板测试广泛用于当今的串行总线应用。眼图通常源于示波器所有捕获位的无限持续叠加，用以显示这些位在何时有效。眼图可以综合显示系统物理层特征的总体质量，包括幅度变化、时序不确定因素 和偶发信号异常。眼图测试特别适用于新的 CAN FD 串行总线等高速总线。

KEYSIGHT InfiniiVision 3000T 或 4000 X 系列示波器结合 DSOXT3AUTO 或 DSOX4AUTO 触发和解码选件 (CAN、CAN FD 和 LIN) 以及 DSOX3MASK 或 DSOX4MASK 模板测试选件，可以针对 CAN FD 差分总线进行 眼图测试。是德科技网站提供不同数据相位波特率和差分探测极性 (显性位高或显性位低) 的 CAN FD 模板 文件，包括以下 CAN FD 模板文件:

– CAN-FD (L-H) 500k-4M.msk

– CAN-FD (L-H) 500k-5M.msk

– CAN-FD (L-H) 500k-6M.msk

– CAN-FD (L-H) 500k-8M.msk

– CAN-FD (L-H) 500k-10M.msk

– CAN-FD (H-L) 500k-4M.msk

– CAN-FD (H-L) 500k-5M.msk

– CAN-FD (H-L) 500k-6M.msk

– CAN-FD (H-L) 500k-8M.msk

– CAN-FD (H-L) 500k-10M.msk

如果需要探测差分 CAN FD 总线以查看显性位低电平，请选用文件名包含 "L-H" 的模板文件。如果需要探 测总线以查看显性位高电平，请选用文件名包含 "H-L" 的模板文件。本文接下来的章节将介绍探测极性。

CAN FD 眼图模板测试仅支持 500 kbps 基础速率 (仲裁相位) 和 4 Mbps 至高达 10 Mbps FD 速率 (数据 相位) 的 CAN FD 总线。因此，如果需要执行 10 Mbps CAN FD 数据速率的探测，请选用文件名包含 "500k-10M" 的模板文件。

CAN FD 眼图模板测试不会测试所有位，仅覆盖所有 CAN FD 帧 FD 数据相位的前 10 位。换句话说，模 板测试仅测试包含位速率切换 (BRS) 位的帧。10 位可以包括最差的再同步情景，例如出现两个连续填 充位。模板测试将测试 10 位周期中最差情况下的时钟稳定性与抖动。尽管不会测试 FD 数据相位的所 有位，重叠所有帧 FD 数据相位的前 10 位可以显示系统所有模式的接收位波形特征。因此，如果系统某 个 FD 节点出现物理层问题，例如幅度降低、边沿速度减慢、噪声等等，仅测试 FD 数据相位的前 10 位即 可通过测量眼图显示上述特征。

"传统" CAN 2.0 信号也可以应用眼图模板测试。请参阅本文末尾列出的是德科技应用指南 ("CAN 2.0 眼图 模板测试")，深入了解 CAN 2.0 信号 (非 FD) 测试。

CAN FD 差分总线探测

CAN FD 眼图模板测试以捕获和叠加差分总线的隐性和显性位 为 基 础 ， 差 分 总 线 探 测 必 须 使 用 差 分 有 源 探 头 。 是 德 科 技 推 荐使用图 1 所示的 N2818A 200-MHz 差分有源探头。该探头 配有 Keysight AutoProbe 接口，可以自动设置示波器输入阻抗 (50-Ω) 和衰减比 (10:1)，并为有源探头供电。

如果您需要连接系统的 SubD-DB9 连接器，是德科技提供 CAN/ FlexRay SubD-DB9 探头前端 (部件号 0960-2926)，如图 1 插图所 示。该款可选探头适配器支持您轻松连接 CAN、CAN  FD 和/或 FlexRay 差分总线。

图 1: N2818A 200-MHz 差分有源探头和 SubD-DB9 探头前端

差分有源探头可以测量差分 CAN FD 总线 显性位高 或 显性位 低 格式的信号。任意探测极性都可以用于 CAN FD 眼图模板测 试。如果需要查看显性位高电平信号，请连接差分探头 + (红 色引线) 输入端与 CAN_H，并连接探头 - (黑色引线) 输入端与 CAN_L。图 2 显示的是 显性位高 格式的差分 CAN FD 波形。

图 2 探测差分 CAN FD 总线以显示显性位高电平

如果需要查看显性位低格式信号，请连接差分探头 + 输入端 (红色引线) 与 CAN_L，并连接 - 输入端 (黑色引线) 与 CAN_H。 虽然上述差分探头和总线连接方法似乎与正常连接相反，并且 并不直观，CAN FD 信号的计时图通常显示为显性位低格式。 此类格式显示的总线空闲电平始终为高 (隐性)。并且，在 CAN FD 帧传输过程中，高电平信号 (隐性位) 始终解释为 1，低电 平信号 (显性位) 始终解释为 0。图 3 是显性位低电平格式的差 分 CAN 波形。这是目前大多数工程师使用的探测方法。

 图 3 探测差分 CAN FD 总线以显示显性位低电平。

CAN FD 眼图模板测试步骤说明

执行 CAN FD 眼图模板测试，首先要关闭示波器的所有通道，连接 CAN FD 差分总线的输入通道除外。如果选择默认设置，则只有通道 1 启用。或者，您可以使用已设置的示波器并触发差 分CAN FD 总线。执行 CAN FD 眼图模板测试的步骤如下所示

1. 将包含适合模板文件的USB存储设备插入示波器前面板的USB端口。

2. 按下前面板的 [SaveRecall] (保存调用) 键, 然后按下 Recall(调用) 功能键。

3. 按下 Recall XXXX 功能键, 然后选择调用文件类型为 Mask(.msk) (模板)。

4. 按下 Location (位置) (或 Press to go 或 load from) 功能键, 然后 根据 FD 波特率和探测极性 (L-H = 显性位低电平, H-L = 显性位 高电平) 选择合适的模板文件。

5. 按下 Press to Recall 功能键, 以开始 CAN FD 眼图模板测试。

调用模板文件后，示波器将自动完成设置 (时基、垂直幅度和 触发设置)，以便在示波器显示屏中心五格标度上显示重叠的 CAN FD 位。在这个连续测试中，时基设置和计时光标不可用。 如欲退出 CAN FD 眼图模板测试，请关闭模板测试，或按下示波器 Analyze-Mask  (模板分析) 菜单中的 Clear Mask (清空模 板)键。退出测试后，示波器的大部分设置将还原至测试开始之前的状态。然而，触发并未恢复至测试开始前的状态，将保持使用示波器脉宽触发模式触发位速率切换 (BRS) 位尾沿的设置， 即FD数据速率相位的开始位置。

图 4 10 Mbps 数据相位 CAN FD 眼图模板测试, 总线探测用于显示显性位低电平 

眼图解析

图 4 显示的是 500 kbps 仲裁相位波特率和 10 Mbps FD 数据相位波特率差分探测 CAN FD 眼图模板测试，以观测显性位低电平格式 (L-H) 的波形。测试结果可以显示接收机采样前显性位和隐性位是否已经稳定至有效/指定电平，通常出现在 FD 数据相位60% 采样点附近。换句话说，通过同步示波器采集和显示计时与CAN FD接收机计时，CAN FD 眼图可以显示 CAN FD 接收机的 接收结果。因此，一次测量可以提供 CAN FD 物理层网络总体信号完整性的深入分析，显示最坏情况下的时序和垂直幅度变化。

眼图垂直轴显示的是峰峰值幅度。差分 CAN FD 总线的信号幅度变化主要源于以下因素:

– 系统噪声/干扰/耦合

– 具有独特和不同输出特征的发射机 (系统中的节点)

– 网络长度和反射导致的幅度衰减

顺序查看位和帧 (非眼图显示) 也可以看到峰峰值幅度的变化， 如图 3 所示，但是眼图可以通过单一重叠图像显示幅度变化以及脉冲形状的细节，帮助分析最终的问题。

眼图水平轴显示的计时不确定度主要源于以下因素:

– 最坏情况下的时钟抖动

– 最坏情况下的系统节点间时钟容限

– 位时间量化 (通常为 1 位时间的 1/8 或 1/25)

通过连续波形 (非眼图显示) 往往很难发现最坏情况的计时错误。 合格/不合格模板 持续比较眼图重叠和无限余辉位与 6 点多边形合格/不合格模板 (灰色区域)，模板通常为最常用的串行总线标准。模板限定了信号不合格区域。示波器显示屏的不合格区域可以视为信号禁区。如果捕获波形通过示波器屏幕的信号禁区，该部分波形迹线将显示为红色，如图 5 所示。此外，示波器将计算不合格位数量和被测位总数，并提供不合格率统计。  

图 5: CAN FD 系统的合格/不合格模板，系统数据相位为 10 Mbps, 探测用于查看显性位低电平

图 5 是 CAN FD系统的模板。系统数据相位速率为 10 Mbps，探测差分总线以显示显性位低电平信号。模板上下边界表示 -0.5 V 至 -0.9 V 最差情况的 CAN FD 接收阈值电平。 是德科技提供+0.5 V 至 +0.9 V 上下限的模板，可以满足显性位高电平探测应用需求。模板左侧位于 30% 位时间点，右侧位于 80% 位时间点。

上述 CAN FD 眼图模板测试中，我们发现系统的某个节点生成隐性位 (高电平) 信号，进 入靠近模板上限的禁止区域。注意，超出 -0.5V 阈值电平的波形显示为红色。测试显示 差分信号下降有可能被 CAN FD 收发信机解读为显性位。我们还发现 CAN FD 系统会在被测最差 10 位时间内生成约 20 ns 的峰峰计时抖动。最终，模板测试统计窗口显示，75 秒测试时间内测试超过 65 万位，不合格率约为 0.3%。使用任意常用 ASCII 文本编辑器都可以编辑多边形模板的顶点 (包括 Windows NotePad)， 然后保存为 .msk 扩展文件。如需定制 CAN FD 模板文件，请联系世强。

总结

CAN FD 串行总线协议分析仪可以提供 CAN 总线应用级数据传输信息，但是很少或无法显示可能导致系统误差的单独位的信号完整性数据。为此，工程师和技术人员经常使用具有 CAN FD 触发和解码功能的示波器来测试差分 CAN FD 网络的物理层特征。示波器可以支持 CAN FD 眼图模板测试，能够通过单次综合测量测试物理层的总体质量。通过示波器屏幕获得正确的 CAN FD 眼图测量不仅需要上升沿/下降沿触发，而且需要特殊 的触发和显示时钟恢复算法，以便仿真 CAN FD 接收机最坏情况下的再同步，然后捕获和重叠再同步 (两个连续填充位) 之后最坏情况下的第 10 个位时间。

Keysight InfiniiVision X 系列示波器不仅支持差分 CAN 和 CAN FD 总线信号触发、解码 和眼图模板测试，而且能够分析车载应用中常见的串行总线标准，包括 LIN、SENT、 FlexRay、I2C、SPI、RS-232/UART 和 USB。