1. 引言
控制器区域网络（CAN，Controller Area Network）是一种广泛应用于汽车、工业网络以及其他领域的通信协议。随着支持CAN的微处理器成本降低以及开源协议栈的普及，CAN技术在新系统中的应用变得越来越普遍。然而，在实际应用中，系统上电后无法正常工作的情况时有发生。本文将介绍一种基于工程学的调试方法，帮助快速定位和解决CAN物理层的问题。
2. 调试基础知识
CAN的物理层调试需要一些基本的实验室工具，包括：
- 示波器：用于观察CAN总线上的信号波形。
- 数字万用表（DMM）：用于测量电阻、电压和电流。
- 电源：用于为系统提供稳定的电源。
在调试过程中，如果遇到复杂问题，可能需要更高精度的工具。但本文主要介绍基本的调试方法和工具。
3. 检查连接
在开始调试之前，首先需要确认系统的连接是否正确。使用DMM检查以下内容：
- 电阻检查：确保所有连接的电阻值符合设计要求。例如，CAN总线的终端电阻应为120 Ω。
- 电源检查：确认CAN收发器的电源供应正常。例如，3.3 V或5 V电源是否正确连接。
- 信号检查：确保TXD（发送数据）和RXD（接收数据）引脚的连接正确，没有短路或开路的情况。
4. 检查总线终止
CAN总线的特性阻抗为120 Ω，通常在总线的两端各加一个120 Ω的终端电阻。如果终端电阻未正确连接或未使用，会导致信号反射，影响信号的完整性。使用DMM测量CANH（CAN高位）和CANL（CAN低位）之间的电阻，正常情况下应在45 Ω到65 Ω之间。
5. 检查电源供应
在系统上电之前，检查CAN收发器的电源是否正常。例如：
- 确保VCC引脚的电压为3.3 V或5 V。
- 检查电源的稳定性，避免因电源波动导致收发器工作异常。
6. CAN物理层基础知识
CAN物理层主要包括发送器（Transmitter）和接收器（Receiver）两部分。发送器将单端的数字信号转换为CAN总线上的差分信号，接收器则将差分信号还原为单端的数字信号。
- 发送器：当总线处于主导状态（Dominant）时，发送器驱动总线，产生一个大于1.2 V的差分电压（Vdiff(D)）。
- 接收器：当总线处于 recessive 状态（Recessive）时，接收器检测总线上的差分电压，该电压应小于12 mV。
7. 使用示波器调试
示波器是调试CAN总线的最常用工具。通过示波器可以观察以下信号：
- TXD和RXD信号：确认发送和接收信号的波形是否正确。
- CANH和CANL信号：观察总线上的差分电压是否符合CAN标准。
示例：
在调试过程中，如果发现TXD信号的上升时间非常慢（例如9.6 µs），可能的原因是微处理器的TXD引脚没有足够的驱动能力。此时，可以在TXD引脚上添加一个上拉电阻，以加快信号的上升时间。
8. 常见问题及解决方法
问题1：CAN总线无法通信
- 原因：可能是总线未正确终止，或总线上的电阻未正确配置。
- 解决方法：检查终端电阻是否正确连接，确保CANH和CANL之间的电阻在45 Ω到65 Ω之间。
问题2：电源供应不稳定
- 原因：电源滤波电容不足，导致电源波动影响CAN收发器的工作。
- 解决方法：在电源输入端添加一个4.7 µF的电解电容，以滤除电源噪声。
问题3：ACK位异常
- 原因：可能是总线上的多个节点同时发送ACK位，导致信号冲突。
- 解决方法：检查CAN总线的时序，确保所有节点的时钟同步。
9. 结论
通过本文介绍的调试方法，可以快速定位和解决CAN物理层的常见问题。调试过程中，建议结合示波器和DMM等工具，逐步排查问题。同时，参考相关的CAN协议文档和 datasheet，可以帮助更好地理解CAN总线的工作原理和调试技巧。