CAN總線的硬件結(jié)構(gòu)、信號電平相關(guān)的基礎(chǔ)知識

本文主要介紹CAN總線的硬件結(jié)構(gòu)、信號電平等等硬件相關(guān)的基礎(chǔ)知識。

總線結(jié)構(gòu)

CAN總線的物理連接常見的是非屏蔽雙絞線（UTP），線上傳輸?shù)氖遣罘中盘?。連接到CAN總線上的設(shè)備叫做節(jié)點設(shè)備（CAN Node），節(jié)點主要包括Host、Controller和Transceiver三部分。Host和Controller通常集成在MCU里面，CAN Controller負責處理協(xié)議相關(guān)功能。CAN Transceiver將控制器連接到外部傳輸媒介。

高速CAN總線最高信號傳輸速率可達1Mbps，支持最長距離40m（CAN FD最高支持12Mbps，傳輸距離也就能到5m或者更短，一般也就是板間通訊才會使用這么高的波特率）。ISO 11898-2規(guī)定要求在高速CAN總線的兩端安裝端接電阻（RL）以消除反射，而低速CAN最高速度只有125Kbps，因此ISO 11898-3沒有要求端接。ISO 11898規(guī)定的CAN總線上最多32個節(jié)點。實際應(yīng)用中要考慮到CAN總線收發(fā)器的性能，以及工作的CAN網(wǎng)絡(luò)是高速CAN還是低速CAN。在傳輸距離方面，由于距離越大，信號時延也越大，為確保消息的正確采樣，總線上的信號速率相應(yīng)也得下降。

CANTransceiver

CAN Transceiver包括CANH和CANL兩根信號，CANH和CANL信號采用差分電平，這樣可以取得更好的電磁兼容效果。

CAN總線分高速CAN和低速CAN，收發(fā)器也分為高速CAN收發(fā)器（1Mbps）和低速CAN收發(fā)器（125Kbps）。低速CAN也叫 Fault Tolerant CAN ，指的是即使總線上一根線失效，總線依然可以通信。

下圖是高速CAN收發(fā)器的基本電路結(jié)構(gòu)（MCP2551）。當兩個晶體管都關(guān)斷時，CANH和CANL上電壓相同，且都為0.5*VCC ；而當兩個晶體管都打開時，CANH 和 CANL上即存在一定的壓差，且壓差與負載電阻值相關(guān)。ISO 11898-2要求此時CANH和CANL壓差在2V左右。

下圖是CAN FD的電路框圖（TCAN1044V)：

下圖是低速CAN的電路框圖（TJA1055）：

下圖是SWC的基本框圖（MC33897）：

CAN信號電平

CAN通信不是以時鐘信號來進行同步的。它只具有CAN_H和CAN_L兩條信號線，共同構(gòu)成一組差分信號線，CAN是以差分信號的形式進行通信的。 在CAN總線上，邏輯“0”和“1”之間顯著的電壓差是總線可靠通信的保證。CAN總線上兩種電平狀態(tài)分別為：

顯性（Dominant）：0

隱性（Recessive）：1

高速CAN和低速CAN總線在物理層信號電平上定義有所不同。 高速CAN，定義CANH和CANL電壓相同（CANH=CANL=2.5V）時為邏輯“1”，CANH和CANL電壓相差2V（CANH=3.5V, CANL=1.5V）時為邏輯“0”。高速CAN收發(fā)器在共模電壓范圍內(nèi)（-12V~12V），將CANH和CANL電壓相差大于0.9V解釋為顯性狀態(tài)（Dominant），而將CANH和CANL電壓相差小于0.5V解釋為為隱性狀態(tài)（Recessive）。收發(fā)器內(nèi)部有遲滯電路可以降低干擾。 低速CAN，定義CANH和CANL電壓相差-5V（CANH=0V, CANL=5V）時為邏輯“1”，相差2.2V（CANH=3.6V, CANL=1.4V）時為邏輯“0”。 CAN總線的信號電平具有“線與”特性，即顯性電平“0”總是會掩蓋隱性電平“1”。如果不同節(jié)點同時發(fā)送顯性和隱性電平，總線上表現(xiàn)出顯性電平“0”，只有在總線上所有節(jié)點發(fā)送的都是隱性電平“1”時，總線才表現(xiàn)為隱性。線與特性是CAN總線仲裁的電路基礎(chǔ)。 下圖是高速CAN的信號電平（ISO 11898-2）：

下圖是低速CAN的信號電平（ISO 11898-3）：

注：起初，ISO11898是高速CAN的標準，ISO11519是低速CAN的標準，高速CAN數(shù)據(jù)鏈路層和物理層都在標準ISO11898中規(guī)定，后來被拆分為ISO11898-1（僅涉及數(shù)據(jù)鏈路層）和ISO11898-2（僅涉及物理層）。其中標準ISO 11519-2-1994已經(jīng)在2006年被ISO 11898-3-2006代替了，也就是說符合標準ISO 11898-3的產(chǎn)品也是支持符合ISO 11519-2標準的產(chǎn)品，因此LSFT CAN的標準也是ISO 11898。

CAN電路設(shè)計

CAN收發(fā)器的特性包括非常低的電磁輻射和很強的抗擊共模噪聲的能力。另外，CAN收發(fā)器可以提供高達 8KV 的ESD保護，在電路設(shè)計中可以在收發(fā)器附近增加共模電感以進一步降低電磁輻射。

同時，CAN總線的設(shè)計還要進行隔離和防護。隔離包括信號線的隔離和電源的隔離，隔離可以增強系統(tǒng)的抗干擾能力，但也會增加CAN總線的傳輸延遲，導(dǎo)致通信速率和通信距離減少?，F(xiàn)在有很多直接帶隔離的CAN收發(fā)器，可以直接進行使用。

自帶隔離的CAN收發(fā)器框圖如下圖所示，其內(nèi)部集成了變壓器對電源、信號都進行了隔離。

審核編輯 ：李倩