使用泰克MSO4000示波器测试与分析CAN总线信号

主题TOPIC —————————————————————————————————TITLE：使用泰克MSO4000示波器测试与分析CAN总线信号

OBJET ：介绍了泰克MSO4000系列示波器在CAN网测试中的若干应用

目录

1目的 (3)

2适用范围 (3)

3参考文件 (3)

4历史 (3)

5泰克MSO4000示波器简介 (4)

6利用MSO4000示波器对CAN LS信号进行采集和解码 (4)

6.1 对示波器进行设置 (4)

6.2 监测CAN LS网络上的CAN_H和CAN_L电平信号 (5)

6.3 技术规范对CAN LS信号电平值的规定 (8)

6.4 监测CAN LS网络的总线解码信号 (9)

7利用MSO4000示波器对CAN HS信号进行采集和解码 (10)

7.1 对示波器进行设置 (10)

7.2 监测CAN HS网络上的CAN_H和CAN_L电平信号 (10)

7.3 技术规范对CAN HS信号电平值的规定 (11)

7.4 监测CAN HS网络的总线解码信号 (11)

8使用泰克“e﹡Scope”功能对示波器进行远程操作 (12)

9使用Open Choice软件自动获取示波器屏幕截图 (13)

10使用SignalExpress TE软件实现自动化测试 (15)

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1 目的

CAN网络信号的测试包括总新电平信号的采集、电压值的测量、信号解码分析、总线通讯状态监测等内容，这部分内容也是构成CAN网络底层测试的基础，测试结果的正确与否，直接关系到整车电器架构的稳定性与电控单元功能的完好性，因此如何便捷高效地完成CAN网络的测试，已经成为整车验证环节中不可回避的一个话题。本文中提出了一套使用泰克MSO4000系列示波器与配套的LabVIEW SignalExpress TE软件进行CAN总线信号测试与分析的方法，从而完成整车高速、低速CAN网络信号的分析与测试工作。通过“示波器+PC软件”的方式，测试人员可以方便快捷地对总线信号进行实时监测，也可以使用示波器的解码功能直接观测到对应的逻辑信号。在使用附属的SignalExpress TE软件后，还可以实现远程测试、自动化测试等功能，与其它测试和分析方法相比，具有入门简单、适用范围广、数据采集精度高等优点，大大提高了基于CAN总线技术的电控单元的开发与测试效率。

2 适用范围

供新车型项目中进行CAN网底层测试时参考使用。

3 参考文件

4 历史

5 泰克MSO4000示波器简介

MSO4000系列示波器是美国的泰克(Tektronix) 公司于2007年推出的混合信号示波器，本文中应用到其系列下的MSO4054型（参见图1），包含4个模拟通道和16个数字通道，带宽为500 MHz，采样率为2.5GS/s，存储深度达到10M，配合示波器上的DPO4AUTO型汽车串行触发和分析模块，完全可以对高速、低速CAN网信号进行检测和解码分析。

图1泰克MSO4054混合信号示波器

6 利用MSO4000示波器对CAN LS信号进行采集和解码

6.1 对示波器进行设置

CAN LS （CAN Low Speed）是对所有低传输速率CAN网络的统称，PSA的AEE2004电器架构中，CAN-CONF网络（舒适网）即属于这种网络，网络中包含的主要是组合仪表、收放机、多碟CD等电控单元，典型的数据传输速率为125Kbps。

如果现在需要监测CAN-CONF网络上由BSI（智能伺服盒）发出的信息帧ID_ COMMANDES_BSI（ID = 0x36），观测其物理电平值并测试示波器的CAN总线解码功能，设定Channel 2监测CAN_H，Channel 3监测CAN_L，并利用Channel 3的CAN_L信号实现解码，探头的GND可直接接到电源的地。其它设置如下所示：

（1）短按【自动设置】，清除掉示波器原有的各项设置。

（2）分别旋转Channel 3和Channel 2的“标度”旋钮，使得垂直方向上电压的标度为5.00V/div；旋转“水平”区域的“标度”按钮，调整信号的周期为100us。

（3）短按【采样】，设置如下：

[模式] = “采样”

[记录长度] = “100k”

[延迟] = “开启”

（4）短按示波器Channel 3探头上方的【3】键，设置如下：

[耦合] = “直流”

[阻抗] = “1MΩ”

[反相] = “关闭”

[带宽] = “全带宽”

[(3)标签] = 输入“CAN_Low”

（5）短按示波器Channel 2探头上方的【2】键，设置如下：

[耦合] = “直流”

[阻抗] = “1MΩ”

[反相] = “关闭”

[带宽] = “全带宽”

[(3)标签] = 输入“CAN_High”

（6）短按【菜单】按键，设置如下：

[类型] = “总线”

[信号源总线] = “B1（CAN）”

[触发打开] = “标识符”

[标识符] = 设置为036h（或CAN LS网络上的其它信息帧）

[方向] = “读或写”

[模式] = “自动触发&释放”

（6）短按总线区域的【B1】按键，设置如下：

[总线(B1)] = “CAN”

[定义输入]：[CAN输入] = “3”，[信号类型] = “CAN_L”，[取样点] = “50%”

[阈值]：[CAN_L(3)阈值] = “2.5V”

[位速率] = 125000

[总线显示] = “总线和波形”，“十六进制”

通过以上设置即可完成设置，示波器屏幕上会显示出CAN_H、CAN_L的电平信号及通过CAN_L解码后的数字波形。

6.2 监测CAN LS网络上的CAN_H和CAN_L电平信号

旋转Channel 2的“标度”旋钮，使得垂直方向上电压的标度为2.00V/div，再短按【B1】按键暂时关闭总线解码功能，只在屏幕上保留Channel 2显示的CAN_H电平信号。连续短按两次光标按键，以测量CAN_H上的显性位和隐形位的电平值，测量结果如下：

（1）CAN_H显形位（即二进制位的“0”）的电平为0.28V，波形图如下所示：

（2）CAN_H隐性位（即二进制位的“1”）的电平为3.68V。波形图如下所示：

图3 CAN_H隐性位电平（CAN LS网络）

旋转Channel 3的“标度”旋钮，使得垂直方向上电压的标度为2.00V/div，再短按【2】按键

暂时关闭CAN_H信号显示，只在屏幕上保留Channel 2显示的CAN_L信号。分切测试其显性位、

隐性位的电平值，结果如下：

（1）CAN_L显性位（即二进制位的“0”）的电平为1.36V，波形如图4所示;

图4CAN_L显性位电平（CAN LS网络）

（2）CAN_L隐性位（即二进制位的“1”）的电平为4.88V，波形如图5所示：

图5CAN_L隐性位电平（CAN LS网络）

如果在屏幕上同时调出CAN_H、CAN_L电平信号，会发现它们的相位正好完全相反，但是电平值并不相同。ECU会对两条总线上的电平值进行差分运算，从而判断当前总线上发送的数据究竟是“0”（显性位）还是“1”（隐性位）。

图6CAN_H和CAN_L电平信号（CAN LS网络）

6.3 技术规范对CAN LS信号电平值的规定

PSA技术规范中对于低速网（CAN LS，CAN Low Speed）有相关规定，只有在总线信号的物理电平值满足如下条件时，CAN_H和CAN_L两条总线上的电平值才能进行正确的差分运算，并得到正确的解码结果：

“0”（显性位）“1”（隐性位）CAN_H≤0.2V ≤3.6V

CAN_L ≤1.4V≥4.8V

表1PSA对于CAN LS网络上的信号物理电平值的规定

也可参考图7所示：

图7 CAN LS 网络上的CAN_H 和CAN_L 电平值

分析前面的测试结果，可以发现监测到的物理电平值是符合相关技术规范的。

6.4 监测CAN LS 网络的总线解码信号

在MS04000示波器配有DPO4AUTO 分析模块的情况下，还可以利用示波器对总线信号实施解码操作，从而直接在示波器上观测到总线逻辑信号（即显性位“0”和隐形位“1”），调整电平信号的周期为100us 左右，示波器即可显示对应的波形和数据。如图8即截取了一段总线解码后得到的CAN 数据场信息，该信息由二进制数据和对应的波形构成，在时域上与CAN_H 、CAN_L 电平值完全对应。同时这里还可以监测到CAN 总线的位填充特性。CAN 协议规定，为了防止一帧信息中有太多相同电平的位而造成同步丢失，在五个连续相等位后，总线上会自动插入一个互补的补码位。

图8 CAN LS 网络上的总线解码信号

t 2.5 V

5 V

7 利用MSO4000示波器对CAN HS信号进行采集和解码

CAN HS网络（CAN High Speed）的数据传输速率比CAN LS网络要大很多，例如PSA的AEE2004电器架构中，CAN-I/S（CAN - INTER SYSTEME）网络就属于典型的CAN HS网络，CAN-I/S网络中包含的主要是变速箱、发动机控制盒等一系列电控单元，要求数据的实时交换速率较高，因此该网络典型的数据传输速率达到500Kbps。

7.1 对示波器进行设置

与前文中监测CAN LS网络上的信号一样，此处依然设定Channel 2监测CAN_H，Channel 3监测CAN_L。基本的设置方法与前文中论述CAN LS网络时一致，有如下几个地方修要重新配置：（1）旋转“水平”区域的“标度”按钮，调整信号的周期为100us。

（2）短按【菜单】按键，设置如下：

[标识符] = 设置为488h（或其它CAN HS网络上的信息帧）

（3）短按总线区域的【B1】按键，设置如下：

[阈值]：[CAN_L (3)阈值] = “2.0V”

[位速率] = 500000

7.2 监测CAN HS网络上的CAN_H和CAN_L电平信号

同监测CAN LS网络上的CAN信号一样，讲过上述设置之后，即可在示波器上观测到对应的CAN_H和CAN_L电平信号。如图9所示：

图9CAN_H和CAN_L电平信号（CAN HS网络）

7.3 技术规范对CAN HS 信号电平值的规定

与CAN LS 网络不同，CAN HS 网络中，CAN_H 和CAN_L 电平信号的电压值必须满足如图10所示的要求，其中CAN_L 信号的电平值大约在1.5～2.5V ，CAN_H 信号的电平值大约在2.5～

3.5V 。电控单元在进行差分运算时，当两者的电压差值在0V 左右时，当前信号被解码成“1”（隐性位）；电压差值在2V 左右时，当前信号被解码成“0”（显性位）。

图10 CAN HS 网络上的CAN_H 和CAN_L 电平值

7.4 监测CAN HS 网络的总线解码信号

同样，也可以使用总线解码功能监测CAN HS 网络上解码出来的逻辑信号，如图11截取了一段总线解码后得到的CAN 数据场信息。该信息以CAN_L 信号为基础解码。同CAN LS 网络一样，逻辑信号在时域上与电平信号完全对应，且同样包含位填充特性。

图11 CAN HS 网络上的总线解码信号

t 2,5 V

1,5 V 3,5 V

8 使用泰克“e﹡Scope”功能对示波器进行远程操作

泰克MSO4000系列示波器拥有的“e﹡Scope”功能，允许用户将示波器接入到局域网中，再通过PC上的web浏览器对示波器进行远程控制或操作。用户通过访问局域网为示波器分配的IP 地址可进入配置页面，获取当前示波器的屏幕截图、波形、配置文件，也可以通过页面中的图形控件对示波器进行远程操作。在不利于实现有人值守的测试环境中，这项功能显得尤为重要。

这里展示一个利用e﹡Scope功能来实现远程监测CAN信息帧COMMANDES_BSI（ID=0x36），并获取示波器配置的实例。使用一台TP-LINK TL-WR740N无线路由器架设了无线网络，用网线将示波器接入到路由器的LAN1借口，控制示波器的笔记本电脑则使用无线网卡与路由器建立连接。

对于示波器的相关设置如下：

（1）将示波器通过标准的以太网电缆（即普通网线，注意不是交叉线！）接入到局域网中；

（2）短按示波器上的“Utility”按键，选择“辅助功能页面”标签；

（3）旋转通用旋钮a至“输入/输出”项；并在屏幕下方选择“以太网网络设置”选项。

（4）在屏幕右侧的“网络配置”菜单中，将“DHCP/BOOTP”选项改为“开”，此时示波器会自动开始获取网络地址，当示波器上显示如图12所示的提示信息时则代表连接成功。

图12DHCP状况提示信息

（5）在已经接入到局域网的电脑上，打开浏览器，在地址栏中输入获取的示波器的网络地址，（如上图中的http://192.168.1.6），进入e﹡Scope功能的控制界面，如图13所示：

图13e﹡Scope功能主界面

在控制页面上方有七个标签，其功能分别为：

【Home】：主界面，显示当前示波器上的屏幕图像。在web浏览器中显示的图像与示波器上的图像是完全同步的。

【Data】：获取屏幕截图和波形、保存示波器的配置到本机、向示波器发送远程命令（例如关闭屏幕上显示的所有菜单）。

【Configure】：配置e﹡Scope专业的ULR地址。

【Status】：示波器的状态。切换到此标签可以检查示波器的探头、应用模块的状态，并查看示波器的软硬件版本信息。

【Control】：示波器的远程控制页面。在此页面中，示波器前面板上的所有按键、旋钮都有对应的图形控件，通过利用鼠标点击各个图形控件，即可达到远程操作示波器的功能。

【Application】：连接到泰克官方网站获取技术应用文档

【Help】：连接到泰克官方网站获取示波器的使用帮助。

对于示波器的操作主要是在“Control”页面中进行，通过该页面可以方便地对示波器进行远程操作。

9 使用Open Choice软件自动获取示波器屏幕截图

OpenChoice Desktop是泰克公司提供的一个小软件（如图14所示），用于在PC上获取示波器的当前屏幕截图、波形数据等，与在示波器上使用U盘截取数据和波形相比更为方便简洁。

图14OpenChoice Desktop软件的启动界面

要想使用该功能，必须首先在PC机上安装OpenChoice Desktop软件，该软件中已经包含了MSO4000系列示波器的驱动（TekVISA）。在软件安装完毕后，使用标准的A-B型USB线缆将示波器和PC机相连接，启动软件，主界面如图15所示：

图15OpenChoice Desktop软件的主界面

点击左上角的“选择仪器”按钮，弹出如图16所示的窗口，图中的第一个设备“USB0”极为MSO4000示波器，选择该设备，点击“确定”按钮即可完成设备的识别。

图16“选择仪器”窗口

软件主界面提供了四个选项卡，作用分别如下：

【屏幕捕获】：识别设备、获取当前示波器的截图；

【波形数据捕获】：获取波形数据并保存到电脑磁盘上；

【取得并发送设置】：获取和保存示波器的配置信息，向示波器加载预设的配置信息；

【首选项】：设置软件的语言、查看软件版本信息。

10 使用SignalExpress TE软件实现自动化测试

NI LabVIEW SignalExpress Tektronix Edition（以下简称SignalExpress TE），是美国国家仪器公司（NI）针对泰克公司的示波器产品特别推出的一款互动测量和分析软件，通过在PC上安装TekVISA驱动，再使用以太电缆或USB连接线将示波器与PC连接，使用者可直接在软件界面中完成示波器的远程操控，诸如选择触发类型、设置波形的周期、调整波形显示位置等操作，与直接操作示波器上的旋钮和按钮的效果完全一致，因此使得MSO4000系列示波器可实现远程测量功能；而使用软件内置的高级分析功能还能完成对输入信号的自动测试与分析工作，且无需额外的编程。

在实现自动化测试之前，必须首先完成以下准备工作：

（1）在电脑上安装TekVISA驱动和SignalExpress TE软件，这两个软件都可以从泰克公司的官方网站进行下载；

（2）使用标准的A-B型USB线缆将示波器与PC相连接。

运行SignalExpress TE软件，主界面如图17所示：

图17SignalExpress TE软件的主界面

以W23项目的整车电器功能测试工作为例，说明该软件在分析CAN总线信号中的若干运用。在测试中需要采集CAN LS网络上的CAN_H与CAN_L信号，且使用软件的高级分析功能自动获得每一路CAN信号的高低电平值，最后再将信号的电平值数据以ASCⅡ格式存储到电脑磁盘上，以便做进一步分析。

为了完成上述的测试工作，首先需要单击软件菜单栏上的“Add Step”（添加步骤）按钮，在弹出的“Add Step”窗口（如图18所示）中依次添加如下三个模块：

＊“Acquire Signals”（获取信号）：“T ek DPO/MSO4000”；

＊“Time-Domain Measurements”（时域测量）：“Amplitude and levels”（幅值和强度）；

＊“Load/Save Signals”（加载/保存信号）：“Save to ASCⅡ/LVM”（保存为ASCⅡ/LVM格式）。

图18“Add Step”窗口

添加完毕后，在主界面中左侧的树形列表中即可观察到刚刚添加的三个功能模块，单击工具栏上的“Run”（运行）按钮。软件会从示波器获取波形数据并自动执行测量信号电平的工作，在测试的过程中，还会不断将获取的波形数据以ASCⅡ格式保存在电脑磁盘上的预设位置。

在测试过程中，可以直接使用软件对示波器进行基础的设置，如选择通道、调整信号周期、调整示波器的水平和垂直刻度值等，方法是直接选择“Tek DPO/MSO4000”功能模块，在软件主界面中即可弹出控制界面，如图19所示。在此界面中，使用者可以像直接操作示波器一样，对示波器进行设置。

图19 SignalExpress TE软件中的示波器设置窗口

如果想要实时监测网络信号的电平值并查看信号的波形，可切换到树形列表中的“Time-Domain Measureme nts”（时域分析）标签，并选择需要查看的CAN网络信号种类。如图20即为上例中获取的CAN_L信号波形，下方的“Peak Results”（峰值结果）项中，软件已经自动测出当前时刻信号的高电平值为5.4625V，低电平值为1.04375V。相对于使用光标功能在示波器上进行测量和读数，使用SignalExpress TE软件无疑更为快捷高效。

图20 自动测试电平信号的峰值

如果想要进一步对波形数据进行保存，需要在树形列表中选择“Load/Save Signals”功能模块，在软件主界面中会自动弹出如图21所示的设置窗口，使用者可以对数据的保存位置等信息进行设置。

图21数据保存功能的设置界面

SignalExpress TE软件还提供了测试报告编辑与输出功能，在软件主界面中，选择工具栏下方的“Project Documentation”（项目文档）按钮，可以切换到测试报告编辑页面，如图22所示，测试人员可以在此进行创建、编辑报告的操作。除了进行普通的文字输入与编辑之外，还可以使用鼠标拖拽树形列表中的标签，直接将软件获取的波形图像加载到测试报告中。当测试结束之后，利用快捷菜单中的输出功能，可将方便地将报告输出为HTML格式作进一步分析。

图22 测试报告编辑界面

除此之外，使用SignalExpress TE软件的高级分析功能，还能执行信号波形的跳变时间测量、信号周期测量等操作，更可以将当前输入的信号波形与之前获取的标准信号波形进行对比，以便更加直观地判断当前的输入信号是否严格遵循了技术规范中的要求。这些测试测量内容的操作方法与前文中所述相同，都是通过向软件的树形列表中加入相关的采集、分析模块，并顺序执行，以达到自动测试的目的。