測量CAN總線網(wǎng)絡(luò)阻抗的原理及方法

在CAN應(yīng)用中，有時(shí)會出現(xiàn)我們料想不到的問題，此時(shí)，為了準(zhǔn)確的排查問題，我們需要通過測量CAN總線網(wǎng)絡(luò)阻抗來確定是否滿足CAN規(guī)范。本文將闡述測量CAN總線網(wǎng)絡(luò)阻抗的原理以及具體方法。

1什么是阻抗？

阻抗是指電路中的電子器件對通過它的特定頻率的交流電流的阻礙作用。在數(shù)學(xué)上用矢量平面上的復(fù)數(shù)表示，即Z=R+jX，如圖1所示，Z表示阻抗，實(shí)部R稱為電阻，虛部X稱為電抗。而電抗為容抗和感抗的總稱，電容在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為容抗，電感在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為感抗。阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量坐標(biāo)上的矢量和。

圖1 阻抗三角形

CAN總線網(wǎng)絡(luò)阻抗是指總線間的阻抗。在用直流測量阻抗方法時(shí)，測量的是CAN通信網(wǎng)絡(luò)或被測CAN節(jié)點(diǎn)的等效電阻；在用交流測量阻抗方法時(shí)，測量的是總線間的阻抗，包括電阻和電抗。

在交流電的領(lǐng)域中，雖然電阻會阻礙電流，但電阻阻值大小不隨頻率產(chǎn)生變化，而容抗和感抗的阻抗值大小是和交流電的頻率有關(guān)的，頻率越高，則容抗越小，感抗越大；頻率越低，則容抗越大，感抗越小，根據(jù)容抗和感抗的計(jì)算公式可以看出，即：Z_C=1/jωC；Z_L=jωL，其中ω=2πf。對于CAN總線間的電抗，我們希望并聯(lián)容抗越大越好，串聯(lián)感抗越小越好，因?yàn)楫?dāng)信號線路寄生電容和寄生電感存在時(shí)，會導(dǎo)致信號的上升/下降沿跳變時(shí)間變長，同時(shí)也會導(dǎo)致信號幅值變小從而可能導(dǎo)致CAN信號通信過程中顯隱性誤判。

2測量方法

阻抗測量有多種可選擇的方法，每種方法都有優(yōu)缺點(diǎn)，為了達(dá)到最佳的測量效果需要考慮測量過程中的頻率覆蓋范圍、測量量程、測量精度和操作的方便性。而在這里，我們選擇普遍使用的電流-電壓直接測量法作為例子。根據(jù)阻抗測量的激勵源的不同，我們將電抗測量分為直流阻抗測量和交流阻抗測量。直流阻抗測量測的是CAN通信網(wǎng)絡(luò)或CAN節(jié)點(diǎn)的等效電阻，而交流阻抗測量的是CAN通信網(wǎng)絡(luò)或CAN節(jié)點(diǎn)的等效電阻、容抗或感抗。

3測量原理

1、直流阻抗測量原理

單獨(dú)測量CAN總線之間的終端電阻大小可使用直流阻抗測量原理，即，給DUT一個(gè)直流電壓源Us和電阻R，與被測電阻Rtest形成回路，用萬用表測量出電阻R兩端的電壓UR，然后根據(jù)歐姆定律可求出被測電阻Rtest。原理圖如圖2所示：

圖2 直流測量阻抗

被測電阻Rtest的計(jì)算公式如公式(1)：

2、交流阻抗測量原理

測量CAN通信網(wǎng)絡(luò)或CAN節(jié)點(diǎn)交流阻抗的原理，是給予被測對象一個(gè)交流激勵源UAC，與被測對象RP、CP形成回路。CANScope-StressZ里的阻抗測量功能用到的就是這個(gè)方法，具體操作是：連接好設(shè)備后，打開上位機(jī)軟件，選擇阻抗測量，點(diǎn)擊開始即可自動完成測試并生成測試結(jié)果，如圖3所示。

圖3 CANScope阻抗測量界面

CANScope-StressZ內(nèi)部設(shè)計(jì)的等效阻抗模型是RP‖CP并聯(lián)模型，原理圖如圖4所示。

圖4 交流測量阻抗RP‖CP并聯(lián)模型

該模型計(jì)算方法如下公式(2)：

將公式(2)整理可得公式(3)、公式(4)：

公式(3)和公式(4)相除可得已知相位角的正切值tan?θ，如下公式(5)：

公式(3)和公式(4)可得已知幅值|Z|，如下公式(6)：

公式(5)和公式(6)整理可得如下公式(7)、公式(8)：

4測量意義

1、直流阻抗測量意義

直流阻抗測量是為了分析CAN通信網(wǎng)絡(luò)或CAN節(jié)點(diǎn)的等效電阻，CAN節(jié)點(diǎn)間通信要求CANH和CANL之間的電阻為60Ω，才可使通信信號正常。CAN通信不正常、沒有報(bào)文、報(bào)文出錯(cuò)、出現(xiàn)振鈴情況下應(yīng)首先排查CAN總線間的直流阻抗是否符合要求。

2、交流阻抗測量意義

交流阻抗測量是為了分析CAN通信網(wǎng)絡(luò)或CAN節(jié)點(diǎn)的等效電阻、容抗和感抗對CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信的影響，因此需要求出CAN總線網(wǎng)絡(luò)的寄生電容和寄生電感的大小，然后和測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，若得出的等效電阻、寄生電容和寄生電感在測試標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，就認(rèn)為寄生電容和寄生電感不會對CAN總線的正常通信造成影響。

由于在實(shí)際應(yīng)用中，CAN總線上可以掛多個(gè)節(jié)點(diǎn)、CAN節(jié)點(diǎn)之間的通信電纜可能比較長，此時(shí)通信線纜上存在的寄生電感、寄生電容對通信信號的影響就不能忽略了，線纜上的感抗、容抗都會使信號幅度衰減、邊沿變緩，甚至產(chǎn)生過沖以致CAN網(wǎng)絡(luò)終端無法正確識別通信信號；而當(dāng)通信線纜較短時(shí)，寄生電容和寄生電感對網(wǎng)絡(luò)的影響基本上可以不用考慮，因此在配置CAN網(wǎng)絡(luò)之前應(yīng)保證線材的電阻率足夠小，線與線之間的阻抗足夠大。

5總結(jié)

在調(diào)試CAN網(wǎng)絡(luò)過程中遇到通信異常的情況，通常應(yīng)首先檢查下異常是否由CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的等效電阻、寄生電容和寄生電感引起的。使用交流測量阻抗的方法，有利于準(zhǔn)確定位問題，從而讓排除CAN通信故障變得更加輕松。