CAN總線為何要采取雙絞線布局？

CAN（Controller Area Network）是一種用于實(shí)時(shí)應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來(lái)傳輸信號(hào)，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN協(xié)議用于汽車(chē)中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束。

在CAN總線應(yīng)用中，一般建議使用屏蔽雙絞線進(jìn)行組網(wǎng)、布線，本文將詳細(xì)講解為什么CAN總線要采取雙絞線的布局。

一.雙絞線簡(jiǎn)介

雙絞線是指兩條相互絕緣的導(dǎo)線按照一定的規(guī)格互相纏繞在一起而制成的一種通用配線。雙絞線的主要作用是防止外界電磁干擾，降低自身信號(hào)的對(duì)外干擾。（即，既可以防止別人干擾自己，也可以降低自身對(duì)別人的干擾。）

將一對(duì)相互絕緣的金屬導(dǎo)線絞合在一起，不僅可以抵御一部分來(lái)自外界的電磁波干擾，也可以降低多對(duì)絞線之間的相互干擾，其原理是：把兩根絕緣的導(dǎo)線互相絞在一起，干擾信號(hào)作用在這兩根相互絞纏在一起的導(dǎo)線上是一致的（這個(gè)干擾信號(hào)叫做共模信號(hào)），在接收信號(hào)的差分電路中可以將共模信號(hào)消除，從而提取出有用信號(hào)（差模信號(hào)）。

雙絞線的作用是使外部干擾在兩根導(dǎo)線上產(chǎn)生的噪聲（在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域里，把無(wú)用的信號(hào)叫做噪聲）相同，以便后續(xù)的差分電路提取出有用信號(hào)，差分電路是一個(gè)減法電路，兩個(gè)輸入端同相的信號(hào)（共模信號(hào)）相互抵消（m-n），反相的信號(hào)相當(dāng)于x-（-y），得到增強(qiáng)。理論上，在雙絞線及差分電路中m=n，x=y，相當(dāng)于干擾信號(hào)被完全消除，有用信號(hào)加倍，但在實(shí)際運(yùn)行中是有一定差異的。

在一個(gè)電纜套管里的，不同線對(duì)具有不同的扭絞長(zhǎng)度，一般地說(shuō)，扭絞長(zhǎng)度在38.1mm～140mm內(nèi)，按逆時(shí)針?lè)较蚺そg，相臨線對(duì)的扭絞長(zhǎng)度在12.7mm以?xún)?nèi)。雙絞線一個(gè)扭絞周期的長(zhǎng)度，叫做節(jié)距，節(jié)距越?。ㄅぞ€越密），抗干擾能力越強(qiáng)。

二.常見(jiàn)雙絞線及優(yōu)點(diǎn)

雙絞線常見(jiàn)的有3類(lèi)線，5類(lèi)線和超5類(lèi)線，以及最新的6類(lèi)線，前者線徑細(xì)而后者線徑粗，型號(hào)如下：

1）一類(lèi)線：主要用于語(yǔ)音傳輸（一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)主要用于八十年代初之前的電話(huà)線纜），不同于數(shù)據(jù)傳輸。

2）二類(lèi)線：傳輸頻率為1MHZ，用于語(yǔ)音傳輸和最高傳輸速率4Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，常見(jiàn)于使用4MBPS規(guī)范令牌傳遞協(xié)議的舊的令牌網(wǎng)。

3）三類(lèi)線：指目前在ANSI和EIA/TIA568標(biāo)準(zhǔn)中指定的電纜，該電纜的傳輸頻率16MHz，用于語(yǔ)音傳輸及最高傳輸速率為10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸主要用于10BASE-T。

4）四類(lèi)線：該類(lèi)電纜的傳輸頻率為20MHz，用于語(yǔ)音傳輸和最高傳輸速率16Mbps的數(shù)據(jù)傳輸主要用于基于令牌的局域網(wǎng)和10BASE-T/100BASE-T。

5）五類(lèi)線：該類(lèi)電纜增加了繞線密度，外套一種高質(zhì)量的絕緣材料，傳輸率為100MHz，用于語(yǔ)音傳輸和最高傳輸速率為10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，主要用于100BASE-T和10BASE-T網(wǎng)絡(luò)。這是最常用的以太網(wǎng)電纜。

6）超五類(lèi)線：超5類(lèi)具有衰減小，串?dāng)_少，并且具有更高的衰減與串?dāng)_的比值（ACR）和信噪比（Structural ReturnLoss）、更小的時(shí)延誤差，性能得到很大提高。超5類(lèi)線主要用于千兆位以太網(wǎng)（1000Mbps）。

7）六類(lèi)線：該類(lèi)電纜的傳輸頻率為1MHz～250MHz，六類(lèi)布線系統(tǒng)在200MHz時(shí)綜合衰減串?dāng)_比（PS-ACR）應(yīng)該有較大的余量，它提供2倍于超五類(lèi)的帶寬。六類(lèi)布線的傳輸性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于超五類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，最適用于傳輸速率高于1Gbps的應(yīng)用。六類(lèi)與超五類(lèi)的一個(gè)重要的不同點(diǎn)在于：改善了在串?dāng)_以及回波損耗方面的性能，對(duì)于新一代全雙工的高速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而言，優(yōu)良的回波損耗性能是極重要的。六類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)中取消了基本鏈路模型，布線標(biāo)準(zhǔn)采用星形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，要求的布線距離為：永久鏈路的長(zhǎng)度不能超過(guò)90m，信道長(zhǎng)度不能超過(guò)100m。

目前，雙絞線可分為非屏蔽雙絞線（UTP=UNSHILDED TWISTED PAIR）和屏蔽雙絞線（STP=SHIELDED TWISTEDPAIR）。屏蔽雙絞線電纜的外層由鋁鉑包裹，以減小輻射，但并不能完全消除輻射，屏蔽雙絞線價(jià)格相對(duì)較高，安裝時(shí)要比非屏蔽雙絞線電纜困難。

三.CAN與雙絞線的結(jié)合

控制器局域網(wǎng)總線（CAN，Controller Area Network）是一種用于實(shí)時(shí)應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN協(xié)議用于汽車(chē)中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束，CAN總線本身有強(qiáng)大的抗干擾和糾錯(cuò)重發(fā)機(jī)制。

當(dāng)CAN被應(yīng)用于新能源汽車(chē)上時(shí)，意味著它要在電磁嚴(yán)重的環(huán)境下工作，所以如何抗干擾是工程師最為關(guān)心的話(huà)題。

當(dāng)CAN總線運(yùn)用雙絞線的時(shí)候就可以很好的解決這些干擾問(wèn)題，CAN接口采用的是差分信號(hào)傳輸方式。差分信號(hào)傳輸是一種使用兩個(gè)互補(bǔ)電信號(hào)進(jìn)行信息傳遞的方法。以高速CAN為例，不同的邏輯狀態(tài)通過(guò)CANH、CANL兩根信號(hào)線進(jìn)行傳輸，接收電路只對(duì)兩根信號(hào)線的信號(hào)差值進(jìn)行識(shí)別。理想狀態(tài)下，CAN總線的波形如下圖所示：

干擾信號(hào)一般以共模的形式存在，當(dāng)總線受到干擾時(shí)，兩根總線會(huì)同時(shí)受影響，但其差分電壓并不會(huì)受影響，如圖2所示。相對(duì)于單端信號(hào)傳輸方式來(lái)說(shuō)，差分信號(hào)傳輸方式具有更好的抗干擾能力。

當(dāng)然，采用了差分傳輸方式也并不可以高枕無(wú)憂(yōu)。CAN總線經(jīng)常用于遠(yuǎn)距離通信，線纜長(zhǎng)度的增加，各種干擾通過(guò)線纜耦合到總線上，極大地增加了外界對(duì)總線通信干擾的概率，如果線纜選用及使用不當(dāng)，極有可能造成通信異常。對(duì)于CAN總線應(yīng)用，一般我們會(huì)推薦使用雙絞線。

四.特殊的“雙絞線”CAN 除了一種雙線CAN外，還有一種單線CAN（Single Wire CAN），單線CAN可以減少一根傳輸線，但是要求節(jié)點(diǎn)間有良好的共地特性（相當(dāng)于第二根信號(hào)線）。單線CAN的信號(hào)抗干擾能力相對(duì)較弱，在設(shè)計(jì)中需要提高信號(hào)幅度以增加信噪比，如此又會(huì)讓它自身的輻射能力增加，因此必須降低其信號(hào)傳輸速率以達(dá)到電磁兼容的要求。綜上，單線CAN僅適合應(yīng)用在低速的車(chē)身電子單元、舒適及娛樂(lè)控制領(lǐng)域。低速CAN總線由于信號(hào)速度不高，在一根信號(hào)線失靈的情況下，仍可工作于單線模式。