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。