淺析CAN總線終端電阻的作用

CAN總線終端電阻，一般來(lái)說(shuō)都是120歐姆，實(shí)際上在設(shè)計(jì)的時(shí)候，也是兩個(gè)60歐姆的電阻串起來(lái)，而總線上一般有兩個(gè)120Ω的節(jié)點(diǎn)，基本上稍微知道點(diǎn)CAN總線的人都知道這個(gè)道理。

? 但是作為學(xué)渣的筆者，知道這個(gè)是在各種標(biāo)準(zhǔn)以及各種數(shù)據(jù)手冊(cè)和應(yīng)用筆記里面常用的電阻值，但是這兩個(gè)終端電阻的具體作用是什么呢？之前就知道阻抗匹配，但是究竟匹配的是什么呢？

然后筆者就上知乎遨游了一下，半抄半寫地總結(jié)了下面的這些知識(shí)點(diǎn)。知道終端電阻的作用，對(duì)于日常工作中波形不穩(wěn)定等問(wèn)題，也能更快地找到問(wèn)題的原因。 ? ? ?

終端電阻的作用

CAN總線終端電阻的作用有3個(gè)：

提高抗干擾能力，讓高頻低能量的信號(hào)迅速走掉

確保總線快速進(jìn)入隱性狀態(tài)，讓寄生電容的能量更快走掉；

提高信號(hào)質(zhì)量，放置在總線的兩端，讓反射能量降低。

01、提高抗干擾能力

CAN總線有“顯性”和“隱性”兩種狀態(tài)，“顯性”代表“0”，“隱性”代表“1”，由CAN收發(fā)器決定。下圖是一個(gè)CAN收發(fā)器的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，CANH、CANL連接總線。

? 總線顯性時(shí)，收發(fā)器內(nèi)部Q1、Q2導(dǎo)通，CANH、CANL之間產(chǎn)生壓差；隱性時(shí)，Q1、Q2截止，CANH、CANL處于無(wú)源狀態(tài)，壓差為0。

總線若無(wú)負(fù)載，隱性時(shí)差分電阻阻值很大，內(nèi)部的MOS管屬于高阻態(tài)，外部的干擾只需要極小的能量即可令總線進(jìn)入顯性（一般的收發(fā)器顯性門限最小電壓僅500mV）。這個(gè)時(shí)候如果有差模干擾過(guò)來(lái)，總線上就會(huì)有明顯的波動(dòng)，而這些波動(dòng)沒有地方能夠吸收掉他們，就會(huì)在總線上創(chuàng)造一個(gè)顯性位出來(lái)。所以為提升總線隱性時(shí)的抗干擾能力，可以增加一個(gè)差分負(fù)載電阻，且阻值盡可能小，以杜絕大部分噪聲能量的影響。然而，為了避免需要過(guò)大的電流總線才能進(jìn)入顯性，阻值也不能過(guò)小。 ? 02

確保快速進(jìn)入隱性狀態(tài)

在顯性狀態(tài)期間，總線的寄生電容會(huì)被充電，而在恢復(fù)到隱性狀態(tài)時(shí)，這些電容需要放電。如果CANH、CANL之間沒有放置任何阻性負(fù)載，電容只能通過(guò)收發(fā)器內(nèi)部的差分電阻放電，這個(gè)阻抗是比較大的，按照RC濾波電路的特性，放電時(shí)間就會(huì)明顯比較長(zhǎng)。我們?cè)谑瞻l(fā)器的CANH、CANL之間加入一個(gè)220PF的電容進(jìn)行模擬試驗(yàn)，位速率為500kbit/s，波形如圖，這個(gè)波形的下降沿就是比較長(zhǎng)的狀態(tài)。

為了讓總線寄生電容快速放電，確?？偩€快速進(jìn)入隱性狀態(tài)，需要在CANH、CANL之間放置一個(gè)負(fù)載電阻。增加一個(gè)60Ω的電阻后，波形如圖，從圖中看出，顯性恢復(fù)到隱性的時(shí)間縮減到128nS，與顯性建立時(shí)間相當(dāng)。

03、提高信號(hào)質(zhì)量

信號(hào)在較高的轉(zhuǎn)換速率情況下，信號(hào)邊沿能量遇到阻抗不匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射；傳輸線纜橫截面的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，線纜的特征阻抗會(huì)隨之變化，也會(huì)造成反射。

能量發(fā)生反射時(shí)，導(dǎo)致反射的波形與原來(lái)的波形進(jìn)行疊加，就會(huì)產(chǎn)生振鈴。

在總線線纜的末端，阻抗急劇變化導(dǎo)致信號(hào)邊沿能量反射，總線信號(hào)上會(huì)產(chǎn)生振鈴，若振鈴幅度過(guò)大，就會(huì)影響通信質(zhì)量。在線纜末端增加一個(gè)與線纜特征阻抗一致的終端電阻，可以將這部分能量吸收，避免振鈴的產(chǎn)生。

別人進(jìn)行了一個(gè)模擬試驗(yàn)（圖片都是我抄過(guò)來(lái)的），位速率為1Mbit/s，收發(fā)器CANH、CANL接一根10m左右的雙絞線，收發(fā)器端接120Ω電阻保證隱性轉(zhuǎn)換時(shí)間，末端不加負(fù)載。末端信號(hào)波形如圖所示，信號(hào)上升沿出現(xiàn)了振鈴。

若雙絞線末端增加一個(gè)120Ω的電阻，末端信號(hào)波形明顯改善，振鈴消失。

一般在直線型拓?fù)渲?，線纜兩端即是發(fā)送端，也是接收端，故線纜兩端需各加一個(gè)終端電阻。

而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，CAN總線一般都不是完美的總線式的設(shè)計(jì)，很多時(shí)候是總線型和星型的混合結(jié)構(gòu)，這個(gè)時(shí)候一般都將CAN終端電阻布置在線束最遠(yuǎn)的兩端，來(lái)盡量地模擬CAN總線的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。 ? ? ?

為什么選120Ω？

什么是阻抗？在電學(xué)中，常把對(duì)電路中電流所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗單位為歐姆，常用Z表示，是一個(gè)復(fù)數(shù)Z= R+i( ωL–1/（ωC）)。具體說(shuō)來(lái)阻抗可分為兩個(gè)部分，電阻（實(shí)部）和電抗（虛部）。其中電抗又包括容抗和感抗，由電容引起的電流阻礙稱為容抗，由電感引起的電流阻礙稱為感抗。這里的阻抗是指Z的模。

任何一根線纜的特征阻抗都可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式得出。線纜的一端接方波發(fā)生器，另一端接一個(gè)可調(diào)電阻，并通過(guò)示波器觀察電阻上的波形。調(diào)整電阻阻值的大小，直到電阻上的信號(hào)是一個(gè)良好的無(wú)振鈴的方波，此時(shí)的電阻值可以認(rèn)為與線纜的特征阻抗一致。

采用兩根汽車使用的典型線纜，將它們扭制成雙絞線，就可根據(jù)上述方法得到特征阻抗大約為120Ω，這也是CAN標(biāo)準(zhǔn)推薦的終端電阻阻值，所以這個(gè)120Ω是測(cè)出來(lái)的，不是算出來(lái)的，都是根據(jù)實(shí)際的線束特性進(jìn)行計(jì)算得到的。當(dāng)然在ISO 11898-2這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)里面也是有定義的。

? ? ? 為什么功率還要選0.25W？

這個(gè)就要結(jié)合一些故障狀態(tài)來(lái)計(jì)算，汽車ECU的所有接口都需要考慮短路到電源和短路到地的情況，所以我們也需要考慮CAN總線的節(jié)點(diǎn)短路到電源的情況，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)需要考慮短路到18V的情況，假設(shè)CANH短路到18V，電流會(huì)通過(guò)終端電阻流到CANL上，而CANL內(nèi)部由于限流的原因，最大注入電流為50mA（TJA1145的規(guī)格書上標(biāo)注），這時(shí)候120Ω電阻的功率就是50mA*50mA*120Ω=0.3W?？紤]到高溫情況下的降額，終端電阻的功率就是0.5W。 ?

編輯：黃飛

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