CAN FD升級(jí)之后 通訊距離能否縮短

CAN FD允許最大64字節(jié)數(shù)據(jù)幀，并且數(shù)據(jù)段部分的傳輸速率高達(dá)5Mbit/s。那么，CAN FD升級(jí)之后，通訊距離是否會(huì)縮短呢？本文帶你一起探討。

CAN FD繼承了CAN總線的主要特性，提高了CAN總線的網(wǎng)絡(luò)通信帶寬，改善了錯(cuò)誤幀漏檢率，同時(shí)可以保持網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)大部分軟硬件特別是物理層不變。CAN FD采用了兩種方式來(lái)提高通信的效率：

1、可變以及更高的數(shù)據(jù)傳輸速率:從控制場(chǎng)中的BRS位到ACK場(chǎng)之前（含CRC分界符）為可變速率。CAN FD數(shù)據(jù)段的傳輸速率最大可達(dá)5Mbit/s，但為了保證總線的健壯可靠，仲裁段（ID和ACK）保持不變，采用原CAN總線用的速率（最高1Mbit/s）。注意：兩種速率各有一套位時(shí)間定義寄存器。

2、新的數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度：每幀可達(dá)64字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可以減少報(bào)文數(shù)量降低總線負(fù)載率。

波特率與通訊距離的關(guān)系

眾所周知，波特率與通訊距離成反比。既然CAN FD能夠提高波特率，是否通訊距離會(huì)縮短呢？在相同條件下，提升波特率通訊距離必然減小。波特率指的是CAN波形中最小位寬時(shí)間的倒數(shù)。

下表為在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下測(cè)出的波特率與通訊距離的關(guān)系。表中可以看出，相同條件下波特率增大，通訊距離將變短，并且跟終端電阻也有一定的關(guān)系。

表1 距離與波特率的關(guān)系表

在理想條件下，通訊距離（m）等于50000除以波特率（kbps），但是在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，由于各種干擾的存在，實(shí)際通訊距離將大打折扣，實(shí)際通訊距離可能是理想值的百分之70，甚至更低。所以，影響通訊距離的因素不只是波特率，還有現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及CAN網(wǎng)絡(luò)布局等。CAN FD升級(jí)之后，在同等條件下，若提高波特率，通訊距離必然減小。按照上面的公式，如果波特率達(dá)到5M，實(shí)際通訊距離為7m或者更短。所以一般只有板間通訊才會(huì)選擇5M波特率，那么該選擇多大的波特率呢？下面來(lái)說(shuō)說(shuō)CAN FD升級(jí)之后，波特率（位時(shí)間）與終端電阻對(duì)整個(gè)CAN FD網(wǎng)絡(luò)的影響。

CAN FD波形分析

采樣點(diǎn)和容忍度是評(píng)價(jià)CAN節(jié)點(diǎn)適應(yīng)性的重要因素，容忍度表示波特率范圍（位時(shí)間范圍），位時(shí)間與波特率成倒數(shù)關(guān)系，波特率太大則位時(shí)間變小，在一定程度上會(huì)導(dǎo)致接收節(jié)點(diǎn)采樣出錯(cuò)。下面以5M數(shù)據(jù)波特率來(lái)分析CAN FD的波形質(zhì)量，下圖為雙120歐終端電阻情況下，5M數(shù)據(jù)域的波形，位時(shí)間200ns、幅值2V。

首先來(lái)看看在上述波形中穩(wěn)定電平的時(shí)間，如下圖可以看出穩(wěn)定電平時(shí)間為140ns。也就是說(shuō)上升沿加下降沿的時(shí)間總共為60ns，理想情況下，上升沿時(shí)間是30ns，按照邊沿極限值12%計(jì)算，實(shí)際算出來(lái)的位時(shí)間=30/0.12=250ns，對(duì)應(yīng)的傳輸波特率就=1/250ns=4M波特率。

如果按照7%的邊沿時(shí)間為安全值來(lái)計(jì)算，實(shí)際的位時(shí)間=30/0.07約等于420ns，相對(duì)應(yīng)的傳輸波特率=1/420ns約等于2.3M。所以想要實(shí)際在工況下穩(wěn)定可靠傳輸，數(shù)據(jù)端波特率在2M左右比較合理。

另外，CAN節(jié)點(diǎn)的電容會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電容，電容越大邊沿越緩會(huì)導(dǎo)致位采樣錯(cuò)誤。下圖分別是500pF電容引入后的下降沿——180ns和1000pF電容引入后的下降沿——260ns，而前面的實(shí)驗(yàn)中，CAN FD在5M數(shù)據(jù)波特率的情況下的位時(shí)間才200ns。

所以，CAN FD對(duì)于邊沿非常敏感，CAN FD加速后，位寬度時(shí)間非常緊張，在實(shí)驗(yàn)中，5Mbps數(shù)據(jù)波特率，雙120歐終端電阻情況下，加入500pF電容后即無(wú)法正常通訊，正常線纜電容在40-70pF/m，相當(dāng)于加入10米線纜，肯定無(wú)法通訊。故在現(xiàn)有線纜條件下的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)，建議CAN FD數(shù)據(jù)段不提速，或者至多提高1倍，并且需要通過(guò)減小終端電阻加快放電速度的方法減小下降沿的影響，但是信號(hào)幅值會(huì)降低（犧牲幅值法），最多并5個(gè)120歐電阻，否則差分幅值將掉到不確定區(qū)域。CAN FD加入了回環(huán)延時(shí)補(bǔ)償手段也無(wú)法解決下降沿的問(wèn)題。

CAN FD的快速升級(jí)

小致百科1：如何快速升級(jí)到CANFD？

1、需要使用支持CAN FD協(xié)議的MCU或控制器，還要選取新的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試和監(jiān)測(cè)工具：CAN FD作為CAN2.0的升級(jí)，可以向下兼容CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)，即CAN FD節(jié)點(diǎn)可以接收傳統(tǒng)CAN節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，但傳統(tǒng)CAN節(jié)點(diǎn)則無(wú)法正確接收CAN FD報(bào)文。因此，既含有CAN FD節(jié)點(diǎn)，又含有傳統(tǒng)CAN節(jié)點(diǎn)的總線上，只能使用傳統(tǒng)格式的CAN報(bào)文。

2、需要支持更高的傳輸速率的收發(fā)器，若設(shè)計(jì)的CAN FD節(jié)點(diǎn)的最高速率5Mbit/s，則收發(fā)器的傳輸速率也必須達(dá)到此數(shù)值。ZLG致遠(yuǎn)電子推出的CAN FD隔離CAN收發(fā)器CTM5MFD、CTM3MFD，是CAN FD隔離應(yīng)用的理想解決方案。

典型連接電路圖