Mạng CAN FD trong xe thực tế thường dừng ở khoảng 2 Mbit/s vì dao động tắt dần trên bus, trong khi Ethernet ô tô 100BASE-T1 lại quá đắt cho nhiều nút điều khiển. CAN XL lấp khoảng trống đó: pha dữ liệu tới 20 Mbit/s, tải tin tới 2 048 byte, và vẫn giữ cơ chế phân xử ưu tiên quen thuộc của CAN. Kiểm thử CAN XL vì vậy vừa giống vừa khác kiểm thử CAN FD: phần phân xử vẫn là CAN, nhưng pha dữ liệu dùng một lớp vật lý mới với mức tín hiệu, bộ lái và cách chuyển chế độ khác hẳn. Bài viết trình bày khung CAN XL, lớp vật lý CAN SIC và SIC XL, các phép đo pha dữ liệu và khả năng giải mã trên máy hiện sóng Keysight.
Kiểm thử CAN XL: vì sao cần một lớp vật lý mới
Theo tài liệu tổng quan CAN XL của Bosch, bộ thu phát CAN tốc độ cao cũ đạt 1 Mbit/s ở pha dữ liệu, bộ thu phát CAN FD đạt 2 Mbit/s, bộ thu phát CAN SIC đạt 5 hoặc 8 Mbit/s, và bộ thu phát CAN SIC XL đạt tới 20 Mbit/s. Tất cả đều dùng được với giao thức CAN XL và tương thích chân. Bài viết của NXP trên CAN Newsletter 1/2023 giải thích giới hạn gốc: mạng CAN FD nói chung bị giới hạn ở 2 Mbit/s trong mạng nhỏ dạng tuyến tính, và công nghệ cải thiện tín hiệu SIC nâng tốc độ lên tới 8 Mbit/s.
Muốn vượt 8 Mbit/s, bộ lái phải đổi kiến trúc. Ở CAN truyền thống, trạng thái lặn chỉ được giữ thụ động qua điện trở, nên sườn từ trội về lặn chậm và dễ dao động. CAN SIC XL chuyển bộ lái sang dạng đẩy-kéo trong pha dữ liệu, chủ động lái cả hai trạng thái. Đây là thay đổi ở lớp vật lý, và cũng là lý do kiểm thử CAN XL không thể chỉ dừng ở việc giải mã khung.
Khung CAN XL và hai pha tốc độ
CAN XL được chuẩn hoá trong ISO 11898-1:2024, phiên bản bao trùm cả ba thế hệ CAN CC, CAN FD và CAN XL. Các tài liệu CiA 610-1 (giao thức) và CiA 610-3 (bộ thu phát SIC XL) từng là nguồn gốc đặc tả, nay đã được CiA rút lại vì nội dung đã nằm trong ISO 11898-1:2024 và ISO 11898-2:2024.
Theo trang kiến thức của CiA, trường dữ liệu dài từ 1 tới 2 048 byte, gấp 32 lần mức 64 byte của CAN FD. Giao thức tách chức năng ưu tiên (mã ưu tiên 11 bit) khỏi chức năng địa chỉ (trường chấp nhận 32 bit). Trường SDT 8 bit cho biết giao thức lớp trên, tương tự EtherType của Ethernet; trường VCID 8 bit cho phép tới 256 mạng logic trên cùng một đoạn bus vật lý. Có hai mã CRC: PCRC 13 bit ở trường điều khiển và FCRC 32 bit ở trường CRC, cả hai phát hiện được mọi tổ hợp năm lỗi bit phân tán ngẫu nhiên, tương ứng khoảng cách Hamming 6.
Một khung CAN XL có hai tốc độ. Pha phân xử chạy tối đa 1 Mbit/s. Pha dữ liệu chạy từ gấp đôi tốc độ phân xử tới 20 Mbit/s, do người dùng cấu hình theo đánh đổi giữa tốc độ và độ phức tạp của mạng; tỉ số giữa hai pha có thể tới 40, ví dụ 500 kbit/s và 20 Mbit/s. Điểm chuyển được đánh dấu bằng chuỗi ADS (từ phân xử sang dữ liệu) và DAS (từ dữ liệu về phân xử); bộ điều khiển báo cho bộ thu phát đổi chế độ ngay trong hai chuỗi này. Pha dữ liệu dùng bit nhồi cố định, một bit nhồi sau mỗi 10 bit dữ liệu, thay vì nhồi động như ở trường phân xử.
Báo lỗi là tính năng cấu hình được bằng phần mềm. Khi bật báo lỗi và không đổi chế độ bộ thu phát, CAN XL cùng tồn tại với nút CAN FD: nút CAN FD vào trạng thái chờ thụ động và chỉ tham gia lại khi thấy 11 bit lặn cuối khung. Mạng lai FD/XL vì thế giới hạn CAN XL ở chế độ SIC, ví dụ 500 kbit/s phân xử, 2 Mbit/s cho CAN FD, 5–8 Mbit/s cho CAN XL. Chế độ FAST tới 20 Mbit/s thì không hỗ trợ khung lỗi, nên chỉ dùng trong mạng thuần CAN XL.
Lớp vật lý CAN SIC và SIC XL: chế độ SIC và chế độ FAST
ISO 11898-2:2024 bao gồm mọi lựa chọn lớp vật lý tốc độ cao, gồm CAN FD, CAN SIC và CAN SIC XL; yêu cầu cho SIC XL nằm ở Phụ lục A. CiA ghi nhận một số hình và bảng của ISO 11898-2:2024 không nhất quán và đã phát hành bản đính chính CiA 140, điều kỹ sư kiểm thử cần biết khi đọc bảng định thời trong chuẩn.
Bộ thu phát SIC XL có hai chế độ trong trạng thái hoạt động. Ở chế độ SIC, bus hoạt động như CAN SIC: trạng thái trội khi điện áp vi sai ≥ +1,5 V, trạng thái lặn được giữ ở VCC/2 qua điện trở trong, tối đa 8 Mbit/s. Ở chế độ FAST, bộ lái chuyển sang cầu H chủ động lái cả hai mức: theo datasheet TCAN6062 của TI, mức level_0 có điện áp vi sai từ +0,6 V tới +1,5 V, mức level_1 từ −0,6 V tới −1,5 V, và ngưỡng thu FAST RX nằm quanh 0 V trong khoảng ±100 mV.
Việc chuyển chế độ được điều khiển bằng mã hoá PWM trên chân TXD. Bộ điều khiển CAN XL phát tín hiệu PWM lên TXD, và tuỳ chu kỳ nhiệm vụ của xung mà bộ lái xuất level_0 hoặc level_1. Điểm khác biệt lớn so với CAN thông thường: các nút đang nhận cũng phát PWM lên TXD để chuyển bộ thu sang FAST RX, trong khi ở CAN cũ TXD của nút nhận luôn ở mức cao suốt pha dữ liệu. TI lưu ý PWM là bắt buộc khi tốc độ vượt 8 Mbit/s. Với TCAN6062, ký hiệu PWM danh định dài 100 ns ở 10 Mbit/s và 50 ns ở 20 Mbit/s.
Đo pha dữ liệu: mức tín hiệu, sườn và đối xứng độ rộng bit
Ở 20 Mbit/s mỗi bit chỉ dài 50 ns, nên sai lệch vài nano giây giữa độ rộng bit ở mức 1 và mức 0 đã ăn vào biên lấy mẫu. Ghi chú ứng dụng SDAA190 của TI viết rằng khi tốc độ vượt 2 Mbit/s, trễ vòng trở thành ràng buộc bậc nhất cho vị trí điểm lấy mẫu, biên đồng bộ và khả năng liên vận hành. Vì vậy phép đo trọng tâm của pha dữ liệu là đối xứng độ rộng bit: so độ rộng bit trên bus và trên RXD với độ rộng danh định.
Datasheet TCAN6062 cho ví dụ về cách nhà sản xuất định nghĩa chỉ tiêu này ở chế độ FAST TX: chênh lệch độ rộng bit level_1 trên bus so với danh định nằm trong ±5 ns, trên RXD trong ±10 ns; ở chế độ FAST RX, chênh lệch giữa RXD và bus trong ±5 ns. Thời gian lên và xuống của điện áp vi sai là 6 / 12 / 20 ns (nhỏ nhất / điển hình / lớn nhất), trễ lan truyền từ TXD tới bus điển hình 50 ns, lớn nhất 80 ns. Đây là giới hạn của một sản phẩm cụ thể, không phải giới hạn của ISO; khi xây quy trình thử cần lấy bảng trong ISO 11898-2:2024 kèm bản đính chính CiA 140.
Danh sách phép đo điển hình cho pha dữ liệu:
- Mức vi sai level_0 và level_1 ở chế độ FAST, đo bằng đầu dò vi sai tại chân bộ thu phát và tại điểm xa nhất của bus.
- Thời gian lên, xuống và dao động sau sườn, nhất là ở nút có nhánh rẽ dài.
- Đối xứng độ rộng bit giữa TXD, bus và RXD, đo bằng kênh tương tự và kênh số cùng lúc.
- Độ rộng ký hiệu PWM trên TXD và thời điểm chuyển chế độ tại ADS và DAS.
- Vị trí điểm lấy mẫu của pha dữ liệu so với trễ vòng thực tế của từng nút.
Phần định thời bit và bù trễ phát ở pha dữ liệu CAN FD đã được trình bày trong bài kiểm thử CAN FD và LIN; nguyên tắc vẫn áp dụng, chỉ khác biên thời gian hẹp hơn nhiều.
Giải mã và trigger CAN XL trên máy hiện sóng Keysight
Keysight công bố hỗ trợ CAN XL ngày 21/04/2022 trên phần mềm D9010AUTP cho dòng Infiniium. Trang sản phẩm mô tả khả năng trigger và giải mã tín hiệu chế độ SIC (chế độ chậm) ở pha phân xử cũng như tín hiệu chế độ FAST ở pha dữ liệu. Datasheet 5992-3539 cho biết phần cài đặt giải mã CAN XL được gộp vào menu CAN/CAN FD sẵn có với lựa chọn điểm lấy mẫu riêng cho tốc độ dữ liệu, có bộ điều kiện trigger mức giao thức riêng cho CAN XL, và xử lý cả CAN XL chạy trên bộ thu phát CAN HS, FD và SIC. Yêu cầu phần mềm máy là phiên bản 11.30 trở lên cho MXR, EXR, UXR, hoặc 6.72 bản vá 1 trở lên cho Infiniium đời cũ. Phiên bản D9110AUTP trước đây đã ngừng và được thay bằng D9010AUTP.
Với dòng InfiniiVision, gói ô tô D4000AUTB và datasheet 5992-3912 chỉ liệt kê CAN, CAN FD, LIN, FlexRay, SENT, PSI5, CXPI và NRZ tự định nghĩa; không có CAN XL. InfiniiVision vẫn hữu ích cho phép đo lớp vật lý (mức, sườn, độ rộng bit) và có kiểm tra mặt nạ biểu đồ mắt cho CAN và CAN FD, nhưng muốn đọc nội dung khung CAN XL thì phải dùng Infiniium.
CAN XL mang khung Ethernet: quan hệ với 10BASE-T1S
CiA 611-1 quy định cách dùng trường SDT, trong đó có ánh xạ khung CAN CC, CAN FD và cả khung MAC IEEE 802.3 vào trong khung CAN XL. Bản tổng hợp của Bosch liệt kê năm loại SDT trong phiên bản đầu, gồm 0x04 và 0x05 cho đường hầm Ethernet. Ghi chú SDAA190 của TI so sánh: CAN XL tối đa 20 Mbit/s và gói 2 048 byte, còn 10BASE-T1S theo IEEE 802.3cg tối đa 10 Mbit/s và gói 1 518 byte; CAN cho tính tất định theo ưu tiên, còn PLCA của 10BASE-T1S cho tính tất định theo lượt công bằng. TI cũng nêu CAN XL có thể dùng trong các trường hợp 10BASE-T1S hoặc TCP/IP hiện có bằng cách đóng hầm khung Ethernet. Phép đo riêng cho 10BASE-T1S được trình bày trong bài 10BASE-T1S là gì.
Chọn thiết bị Keysight cho kiểm thử CAN XL
- Giải mã CAN XL và đo lớp vật lý trên một máy: máy hiện sóng Keysight MXR108B, 8 kênh tương tự 1 GHz và 16 kênh số, 16 GSa/s, bộ biến đổi 10 bit, bộ nhớ tới 1,6 Gpts, chạy phần mềm D9010AUTP. Tám kênh đủ để theo dõi TXD, RXD và bus của nhiều nút cùng lúc.
- Đo lớp vật lý và giải mã CAN, CAN FD ở pha phân xử: máy hiện sóng Keysight MSOX4154G (1,5 GHz, 5 GSa/s, 4 Mpts, 1 000 000 dạng sóng/s) hoặc Keysight MSOX6004A (1 GHz, nâng cấp tới 6 GHz, 20 GSa/s, 450 000 dạng sóng/s) với gói ô tô của InfiniiVision.
- Đầu dò vi sai: đầu dò vi sai Keysight DP0010A (250 MHz, dải vi sai ±42 V) được Keysight thiết kế cho phép đo bus vi sai ô tô và thay thế mẫu N2818A đã ngừng sản xuất. Với sườn 6–20 ns của chế độ FAST, băng thông 250 MHz là đủ.
Kết luận
Kiểm thử CAN XL cần nhìn hai lớp cùng lúc. Lớp giao thức gồm hai pha tốc độ, chuỗi chuyển ADS và DAS, khung tới 2 048 byte với hai CRC; lớp vật lý gồm chế độ SIC tới 8 Mbit/s và chế độ FAST đẩy-kéo tới 20 Mbit/s được bật bằng mã hoá PWM trên TXD. Phép đo quyết định ở pha dữ liệu là mức vi sai, sườn và đối xứng độ rộng bit ở biên thời gian vài nano giây. Giải mã khung CAN XL trên máy hiện sóng Keysight hiện nằm ở dòng Infiniium với D9010AUTP.
Sai số vài nano giây chỉ có ý nghĩa khi máy hiện sóng và đầu dò được hiệu chuẩn định kỳ, đặc biệt độ chính xác thời gian và độ trễ đầu dò. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn máy hiện sóng và đầu dò theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình kiểm thử CAN XL và lịch hiệu chuẩn.
