CAN 2.0和較新的版本CAN FD技術彼此相容，然而，隨著系統的複雜性提高及匯流排長度增加，在混合系統中，CAN FD的較高速度可能會造成同步的問題，導致傳輸失敗。
控制器區域網路(CAN)是經過驗證且可靠的通訊標準，用於工業自動化和汽車等領域。此技術有兩個版本：CAN 2.0和較新的版本CAN Flexible Data(FD)。傳統CAN 2.0系統可以透過增加CAN FD節點強化功能，以達到更高的酬載傳輸量，支援關鍵通訊事件。
一般而言，這些技術彼此相容，但隨著系統的複雜性提高及匯流排長度增加，在混合系統中，CAN FD的較高速度可能會造成同步的問題，導致傳輸失敗。
對於簡單的系統而言，使用以單一短匯流排連接兩個控制器/收發器對的CAN系統測試即可。不過，此測試通常無法偵測到結合CAN 2.0和CAN FD元件、較複雜的多節點系統中可能出現的問題。使用相似的生產系統，針對所有潛在使用情境進行專門測試，可以偵測到現場可能發生的所有問題。
本文簡要介紹CAN 2.0和CAN FD，並解釋其傳輸挑戰。接著將說明一些測試技術，如何減少使用這些網路的系統可能發生的現場故障。本文將以Analog Devices(ADI)具有故障偵測和報告功能的元件為例，並展示此類元件如何加速已部署系統的測試階段和故障排除，也特別說明相關評估板。
什麼是CAN 2.0和CAN FD？
CAN是內建故障處理能力的分散式通訊標準，實體層(PHY)和資料鏈路層(DLL)以ISO 118981標準定義。CAN的特點包括：
．允許在單一匯流排上發出多個主動訊息。
．訊息固有優先等級。
．依照訊息優先等級進行匯流排仲裁。
．多重級別的錯誤偵測和復原。
．使用獨立時脈來源，跨節點進行同步資料計時。
CAN使用差動電壓資料傳輸機制，具有兩種匯流排電壓狀態：「隱性(Recessive)」(驅動器輸出為高阻抗)和「顯性(Dominant)」，臨界值如表1所示。
節點為邏輯「0」傳輸顯性狀態(在此狀態下，一條匯流排(CANH)為高位，另一條(CANL)為低位)，並為邏輯「1」傳輸隱性狀態。在標準訊框或錯誤訊框結束後，藉由偵測多個隱性位元，可區分出隱性位元傳輸模式和閒置的CAN匯流排(圖1)。
圖1 CAN傳輸機制(閒置模式表示為多個隱性位元) (圖片來源：Analog Devices)
CAN收發器提供DLL、CAN控制器(通常嵌入至另一個元件，例如微控制器內)以及CAN匯流排實體接線之間的差動PHY介面。圖2顯示實作CAN應用所需的各種要素，以及它們與開放式系統互連(OSI)層的關係及其特點。
圖2 CAN收發器構成CAN控制器與CAN匯流排之間的差動PHY介面 (圖片來源：Analog Devices)
CAN 2.0於1991年推出，標稱傳輸量為500Kbps。此資料傳輸率有時不足以滿足關鍵通訊事件的需求，因此於2012年推出CAN FD。CAN FD在正常操作條件下提供達2Mbps的標稱傳輸量，在診斷或編程時提供達5Mbps的標稱傳輸量。請注意，更高速的通訊僅適用於訊息酬載；訊息之外的其他元素，例如11位元識別碼、循環備援檢查(CRC)和確認(ACK)，將以500Kbps的CAN 2.0速率傳送。
CAN 2.0和CAN FD的另一項區別在於標準資料訊框酬載，從CAN 2.0的8B增加至CAN FD的64B。酬載的增加可提高開銷/資料比，讓CAN FD通訊效率更高。此外，由於CAN 2.0具有8B酬載限制，原先必須拆開的訊息，現在可以使用CAN FD合併為同一則。此外，由於資料速率更高且酬載增加，可以透過CAN FD訊息加密來增強安全性。
CAN FD控制器同時支援CAN 2.0和CAN FD協定，因此常在同一網路中混合使用CAN 2.0和CAN FD節點。混合節點能讓傳統網路慢慢轉移到更快的協定，因此廣受歡迎。然而，混合系統也將產生額外的成本並提升複雜性，收發器必須要能支援CAN 2.0節點上的CAN FD濾波方式，以確保在CAN FD通訊期間不會建立錯誤訊框。
CAN的仲裁與錯誤機制
任何連接的CAN節點都可以將資料傳輸到匯流排上。為了避免通訊衝突，節點將對匯流排的使用進行仲裁，以便訊息根據其優先級依序傳輸。CAN採用非破壞性、透明的仲裁；仲裁成功後的節點將繼續傳輸其較高優先級的訊息，不會受到其他節點干擾或破壞。顯性位元的傳輸會覆寫隱性匯流排狀態，促使完成仲裁。
標準資料訊框包括訊息識別碼和幾個旗標位元，此資訊被稱為「仲裁區」，不僅規定仲裁，也規定了訊息優先級。較低識別碼(開頭較多「0」)的訊息具有較高優先級(圖3)。
圖3 CAN標準資料訊框包括訊息識別碼以及RTR和IDE旗標位元，此仲裁區規定仲裁和訊息優先級 (圖片來源：Analog Devices)
即使有仲裁機制，也仍然可能出錯。為了解決問題，CAN協定提供錯誤檢查和處理的機制。這些機制包括：
．傳輸位元驗證。
．CRC檢查。
．固定格式位元區檢查。
．強制訊息ACK。
使用以下機制處理錯誤：
．錯誤訊框。
．錯誤計數器。
．節點錯誤狀態。
所有CAN控制器都可以偵測錯誤，並且透過觸發錯誤訊框和錯誤節點計數器做出回應。錯誤訊框使用六個連續顯性或隱性位元進行區分。這樣的序列與正常傳輸規則不一致，使其可以被其他節點偵測到。傳送錯誤訊框的節點隨後傳送隱性位元，直到偵測到匯流排處於隱性狀態。進一步傳輸七個隱性位元後，節點可以嘗試傳輸正常CAN訊框(圖4)。
圖4 在這個錯誤傳輸範例中(由於額外位元導致CRC位元錯誤)，最右側顯示六個連續位元錯誤訊框 (圖片來源：Analog Devices)
每個CAN節點除了錯誤訊框傳輸之外，還可傳送和接收錯誤計數器。發生錯誤會讓計數器加一，而成功傳送或接收訊息則讓計數器減一。根據錯誤計數器，一個節點可能處於主動反應錯誤、被動反應錯誤、匯流排離線狀態。在主動反應錯誤狀態下，節點可以在匯流排上進行通訊，並在偵測到錯誤時傳送主動錯誤旗標。當計數器超過127時，將出現被動反應錯誤狀態，此時，節點只能傳送被動錯誤旗標。一旦計數器低於127，節點將再次變為主動反應錯誤狀態。如果計數器超過256，則節點進入匯流排離線狀態，且無法在匯流排上進行通訊。節點計數器在接收到11個連續隱性位元的128個序列後，可重置為0。
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