談?wù)凜AN總線對(duì)線束設(shè)計(jì)的要求及內(nèi)在機(jī)理

CAN使用差分信號(hào)，需要一對(duì)信號(hào)線，推薦使用雙絞線，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D7-1所示。使用差分信號(hào)可以抑制共模干擾、能夠增加系統(tǒng)可靠性，允許使用更高的速率。

高速ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了CAN傳輸最高速率為1Mbps，在這個(gè)速率下，傳輸距離最長(zhǎng)40米（掛接30個(gè)節(jié)點(diǎn)，CAN信號(hào)不隔離）。推薦節(jié)點(diǎn)分支長(zhǎng)度最大為0.3米、推薦使用帶屏蔽或不帶屏蔽的雙絞線，線纜特性阻抗為120歐姆。

圖7-1：CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

8. 終端匹配

終端匹配電阻大小等于傳輸電纜特性阻抗，傳輸電纜特性阻抗由電纜供應(yīng)商提供，一般近似為Z=√(L/C)。其中L為電纜單位長(zhǎng)度感抗，C為電纜單位長(zhǎng)度電容。?由于CAN收發(fā)器結(jié)構(gòu)，從隱性變成顯性由晶體管驅(qū)動(dòng)，所以都是很陡的，但是從顯性回到隱性，卻需要終端電阻來(lái)放電，否則就會(huì)由于導(dǎo)線分布電容，緩慢放電，導(dǎo)致位寬錯(cuò)誤。所以所謂的近距離、低波特率CAN總線不加終端電阻的做法，都是錯(cuò)誤的。

RS485與CAN總線不同，由于RS485收發(fā)器中一般都內(nèi)置失效保護(hù)電路，在近距離、低波特率下允許不加終端匹配電阻。

9. 電纜與接線

CAN總線采用差分信號(hào)傳輸，如果使用帶屏蔽雙絞線，屏蔽層應(yīng)單點(diǎn)接地。

圖9-11列出帶單屏蔽層的CAN電纜剖析與連接線示范。

圖9-1：電纜信號(hào)分配、接地和終端匹配

通常電纜截面積越小，其分布電容、分布電感和直流電阻越大。當(dāng)通訊距離較遠(yuǎn)時(shí)，電容、電感和直流電阻會(huì)引起信號(hào)衰減，波形失真和抖動(dòng)。

一般情況下，電纜供應(yīng)商會(huì)提供信號(hào)衰減圖表。圖9-2所示的曲線顯示了24-AWG電纜衰減和頻率的關(guān)系。

圖9-2：信號(hào)衰減

10. 差分信號(hào)電壓幅值

如圖10-1所示，兩條信號(hào)線CAN_H和CAN_L靜態(tài)時(shí)均為2.5V左右，此時(shí)狀態(tài)表示邏輯1，稱作隱性；CAN_H比CAN_L高表示邏輯0，稱為顯性，此時(shí)通常CAN_H電壓3.5V、CAN_L電壓1.5V。

圖10-1：CAN電平幅值

CAN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，CAN總線上的差分電壓>0.9V才能被識(shí)別成顯性電平，<0.5V才能被識(shí)別成隱性電平，0.5~0.9之間的電平不能確定電平極性。如表10-1所示。

表10-1：差分電壓幅值與電平極性關(guān)系

在實(shí)際項(xiàng)目布線時(shí)，容易漏加或者多加終端匹配電阻。我們可以通過(guò)測(cè)量CAN差分電壓幅值來(lái)評(píng)估是否漏加或多加終端匹配電阻。如果不計(jì)導(dǎo)線電阻，終端電阻固定為120歐姆，單節(jié)點(diǎn)CAN總線差分電壓如表10-2所示。

表10-2：終端匹配電阻數(shù)目與差分電壓幅值關(guān)系

11. 電纜截面積與通訊距離

電纜截面積對(duì)通訊距離影響很大，特別是遠(yuǎn)距離通訊。遠(yuǎn)距離傳輸線上的分布電容、分布電感和直流參數(shù)會(huì)引起信號(hào)衰減。很多CAN通訊應(yīng)用都具有距離遠(yuǎn)、波特率低的特性。比如本公司的KTC161通訊控制系統(tǒng)使用10kpbs，傳輸距離要不小于3km。這種情況下，傳輸電纜的直流電阻對(duì)傳輸距離影響非常大，因?yàn)檫@個(gè)直流電阻會(huì)和終端匹配電阻分壓。

如圖11-1所示，1號(hào)節(jié)點(diǎn)與2號(hào)節(jié)點(diǎn)相隔5km，使用的傳輸電纜直流電阻12.8歐姆/km，終端匹配電阻為124歐姆。1號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的波形差分電壓幅值為2V，經(jīng)過(guò)5km傳輸電纜到2號(hào)節(jié)點(diǎn)時(shí)，差分電壓幅值大約為1V，信號(hào)衰減了一半！我們?cè)谏衔牡?0節(jié)中提到過(guò)：CAN總線上的差分電壓>0.9V才能被識(shí)別成顯性電平，現(xiàn)在2號(hào)節(jié)點(diǎn)只有1V差分電壓，其可靠性已經(jīng)變的較低。

為了保證可靠的數(shù)據(jù)通訊，一個(gè)有用的經(jīng)驗(yàn)法則是：最末端節(jié)點(diǎn)差分電壓幅值不小于1.2V。

注意圖中故意忽略了分布電容和分布電感的影響，因此傳輸?shù)牟ㄐ螞]有畸變。

圖11-1：傳輸電纜直流電阻分壓示意圖

對(duì)于雙絞線，假設(shè)其終端匹配電阻與電纜特性阻抗相同，則截面積與最大通訊距離可參考表11-1：

表11-1：截面積與最大通訊距離關(guān)系

為了把電纜直流電阻引起的電壓衰減降到最小，較大的終端電阻值（150~300歐姆）有助于增加總線長(zhǎng)度。比如使用截面積為1.5 mm2的雙絞線電纜，電纜特性阻抗為120歐姆。傳輸波特率為5kpbs的數(shù)據(jù)時(shí)，使用120歐姆的匹配電阻最遠(yuǎn)可以傳輸5km，但使用300歐姆的匹配電阻則可以傳輸7km！

12. 波特率、終端匹配電阻與通訊距離

上文第11節(jié)講述了傳輸線截面積與通訊距離的關(guān)系，本小節(jié)將保持傳輸線截面積不變，查看其它參數(shù)對(duì)通訊距離的影響。以截面積為1.5 mm2屏蔽雙絞線為例，其波特率、終端匹配電阻與通訊距離的關(guān)系如圖12-1所示。其中，當(dāng)波特率較高，通訊距離有限。比如1Mbps，信號(hào)隔離后的CAN通訊距離大約為25~30米（大部分的實(shí)際項(xiàng)目中都會(huì)對(duì)CAN通訊模塊電氣隔離，隔離器件會(huì)降低通訊距離）。波特率較低并且將終端匹配電阻增大，可遠(yuǎn)距離通訊。比如5kbps、終端匹配電阻為390歐姆時(shí)，通訊距離可達(dá)10km！ ??

圖12-1：波特率、終端匹配電阻和通訊距離關(guān)系圖

13. 信號(hào)延遲與通訊距離

高波特率情況下，制約CAN通訊距離的，是信號(hào)延遲。信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離光耦、傳輸電纜、ESD器件時(shí)，都會(huì)引起信號(hào)延遲。如果CAN的重同步也不足以彌補(bǔ)這個(gè)延遲，就會(huì)導(dǎo)致采樣錯(cuò)誤，最終CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤。

圖12-1給出了截面積為1.5mm2傳輸電纜，在不同波特率和終端匹配電阻下的最大通訊距離。其中當(dāng)波特率為1Mbps時(shí)，通訊距離大約為30米。30米的通訊電纜，其傳輸損耗可以忽略不計(jì)，此時(shí)影響通訊距離的主要是信號(hào)延遲。

通常，傳輸電纜延時(shí)為5ns/m、高速光耦延時(shí)可達(dá)25ns、磁耦合隔離器件延遲3~5ns。在CAN通訊系統(tǒng)中，一個(gè)優(yōu)良的延遲標(biāo)準(zhǔn)是：

其中：

t l_MAX：最大延遲時(shí)間

tBIT：位時(shí)間

以1Mbps為例，其位時(shí)間為1us，則tl_MAX < 0.245 × tBIT = 0.245 × 1us = 245ns。信號(hào)在1.5mm2傳輸電纜上傳輸49米就能達(dá)到這個(gè)延遲時(shí)間，另外再加上信號(hào)上升/下降沿時(shí)間以及隔離器件、ESD器件、PCB走線延時(shí)，實(shí)際項(xiàng)目中，1Mbps波特率在1.5mm2傳輸電纜上只能傳輸30米。

這也是為什么RS485波特率可以達(dá)到10Mbps甚至50Mbps，而CAN標(biāo)準(zhǔn)最大速率只有1Mbps的原因。

表13-1給出了判定延遲的參考標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際項(xiàng)目中，推薦信號(hào)延遲處于良好一欄標(biāo)準(zhǔn)。

表13-1：最大延遲參考標(biāo)準(zhǔn)

14. 節(jié)點(diǎn)最小間距

CAN總線是分布式參數(shù)電路，其電氣特性和響應(yīng)主要由沿物理介質(zhì)分布的電感和電容所決定。這里物理介質(zhì)包括連接電纜、連接器、終端和沿總線掛接的CAN設(shè)備。

空載情況下，傳輸電纜的特性阻抗近似為Z=√(L/C)，其中L為電纜單位長(zhǎng)度感抗，C為電纜單位長(zhǎng)度電容。隨著負(fù)載的增加，傳輸線上的電容增加（負(fù)載電容、負(fù)載與總線連接線電容），傳輸電纜特性阻抗相比空載情況下變小。如果負(fù)載比較集中，則負(fù)載區(qū)傳輸電纜特性阻抗和空閑區(qū)電纜特性阻抗相差較大，從而會(huì)引起阻抗不匹配。如圖14-1所示。??

圖14-1：負(fù)載不均衡的CAN總線原理示意圖

CAN總線阻抗不匹配會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射，雪上加霜的是CAN的仲裁機(jī)制：在仲裁期間，兩個(gè)或更多個(gè)節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)發(fā)送多個(gè)顯性位。如圖14-1所示，當(dāng)開關(guān)S1在t=0時(shí)刻從顯性狀態(tài)切換到隱性狀態(tài)，CAN驅(qū)動(dòng)器差分輸出電壓為Vs，總線上的差分信號(hào)會(huì)由顯性狀態(tài)（Vs）變成穩(wěn)定的隱性狀態(tài)（0V）。這個(gè)信號(hào)波形會(huì)沿著總線向下傳播，到達(dá)總線的負(fù)載區(qū)時(shí)，阻抗不匹配引起的反射電壓將返回到源端。

負(fù)載與負(fù)載之間的最小安全距離d是設(shè)備集總負(fù)載電容CL和電纜的單位長(zhǎng)度分布電容C的函數(shù)，定義如下：

設(shè)備集總負(fù)載電容CL包括CAN收發(fā)器引腳、連接器、隔離器件、保護(hù)器件、印制電路板走線以及其它物理連線的電容總和。

3.3V的CAN收發(fā)器一般能達(dá)到16pF電容，具體可以參考收發(fā)器數(shù)據(jù)手冊(cè)；印制板走線一般0.5pF~0.8pF/cm，這取決于電路板的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)；連接器和保護(hù)裝置（比如ESD器件）的電容值可能范圍會(huì)很大，具體要參考設(shè)備數(shù)據(jù)手冊(cè)；非屏蔽雙絞線介質(zhì)的分布電容大約在40pF/m~70pF/m。

圖14-2給出了更明了的圖表顯示.

圖14-2：最小CAN設(shè)備間距

15. 信號(hào)位采樣點(diǎn)位置

信號(hào)位采樣點(diǎn)是指CAN節(jié)點(diǎn)識(shí)別一個(gè)電平邏輯的位置。CAN標(biāo)準(zhǔn)把總線上的每一位都細(xì)分為不同的階段，如圖15-1所示。在圖中可以看到，每個(gè)位被分為同步段、傳播段、相位緩沖段1和相位緩沖段2四個(gè)連續(xù)部分。其中采樣點(diǎn)位于相位緩沖段1之后，同步段、傳播段、相位緩沖段1和相位緩沖段2的持續(xù)時(shí)間都是可以編程的，因此采樣點(diǎn)位置也是間接可編程的。

圖15-1：每一個(gè)數(shù)據(jù)位的分段示意圖

一般CAN節(jié)點(diǎn)是每個(gè)位采樣一次（也可以采樣3次，多用于低速場(chǎng)合），采樣點(diǎn)位置都在一個(gè)位的50%以后的區(qū)域，這是為了讓信號(hào)電平趨于穩(wěn)定。采樣點(diǎn)越靠后，波形越穩(wěn)定。但也不是越靠后越好，采樣點(diǎn)位置超過(guò)95%時(shí)，因?yàn)閭鬏斶^(guò)程中的位偏差，可能會(huì)引起錯(cuò)誤。CIA推薦采樣點(diǎn)為一個(gè)位時(shí)間的87.5%處，實(shí)際項(xiàng)目中，一般設(shè)置為70%~90%，大部分汽車廠商規(guī)定采樣點(diǎn)為70~80%。

采樣點(diǎn)略靠后，比如80~90%，有利于遠(yuǎn)距離傳輸。提高節(jié)點(diǎn)波特率寄存器中的同步跳轉(zhuǎn)寬度SJW值（加大到3個(gè)單位時(shí)間），可以加大位寬度和采樣點(diǎn)的容忍度。

16. 波特率偏差

由于受到晶振影響，CAN通訊波特率實(shí)際值與理論值會(huì)有偏差。如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間波特率偏差較大，容易造成誤碼率增大或通訊失敗等問(wèn)題。

CAN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，設(shè)定的理論波特率與實(shí)際波特率偏差不得超過(guò)±1%；節(jié)點(diǎn)需要容忍的波特率偏差不得小于±3%。

17. 節(jié)點(diǎn)容抗

在CAN通訊電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)容抗是容易被忽略的。節(jié)點(diǎn)容抗包括收發(fā)器引腳電容、PCB走線電容、ESD器件電容以及其它連線電容。

CAN標(biāo)準(zhǔn)對(duì)節(jié)點(diǎn)容抗有嚴(yán)格定義，容抗影響上升沿下降沿斜率，節(jié)點(diǎn)容抗增大，上升沿和下降沿會(huì)變緩，導(dǎo)致位時(shí)間畸變，誤碼率增加。上升沿和下降沿變緩會(huì)使得信號(hào)延遲變大，在高波特率下，影響信號(hào)傳輸質(zhì)量和通訊距離。

節(jié)點(diǎn)容抗不易測(cè)量，需要專門儀器。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)結(jié)合數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的典型值，對(duì)CAN接口電路使用的器件總電容值進(jìn)行估算。對(duì)于高波特率情況下，單節(jié)點(diǎn)電容推薦<100pF，多節(jié)點(diǎn)電容推薦值見表17-1所示。低波特率應(yīng)用可以放寬要求。

表17-1：?jiǎn)喂?jié)點(diǎn)電容最大值

18. 節(jié)點(diǎn)數(shù)量

可以連接到網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量由收發(fā)器可以驅(qū)動(dòng)的最小負(fù)載阻抗來(lái)決定。最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量由下面的公式給出（考慮最壞情況）：

其中：

Rdiff_min：收發(fā)器差動(dòng)輸入阻抗最小值

RL_min：收發(fā)器可驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電阻最小值

RT_min：終端匹配電阻最小值

在上式中，收發(fā)器差動(dòng)輸入阻抗最小值（Rdiff_min）和收發(fā)器可驅(qū)動(dòng)的負(fù)載阻抗最小值（RL_min）由收發(fā)器芯片決定，終端匹配電阻最小值（RT_min）由傳輸電纜特性阻抗以及具體應(yīng)用決定。

以本公司使用的PCA82C251收發(fā)器為例，其收發(fā)器差動(dòng)輸入阻抗最小值Rdiff_min = 20K歐姆，收發(fā)器可驅(qū)動(dòng)的負(fù)載阻抗最小值RL_min = 45歐姆，假設(shè)終端匹配電阻最小值RT_min = 120歐姆，則最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量為112個(gè)。

19. 共模電壓范圍

共模電壓是指總線上的發(fā)送節(jié)點(diǎn)地和接收節(jié)點(diǎn)地之間的電勢(shì)差。過(guò)高的共模電壓會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響，可能造成間歇重啟、死鎖、誤碼率增高甚至損害設(shè)備。在遠(yuǎn)距離通訊系統(tǒng)中，共模干擾的問(wèn)題會(huì)更加突出，因?yàn)殡S著通訊線距離的增加，地環(huán)路會(huì)拾取更多的噪聲，使得共模電壓增大。

目前的CAN收發(fā)器都可以容忍一定的共模電壓，ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，CAN收發(fā)器必須能容忍-2V~7V的共模電壓。對(duì)于長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米的CAN通訊系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的共模電壓容忍能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際要求，因此電流隔離對(duì)于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)仍是必須的。

20. 總線短路保護(hù)和熱關(guān)斷保護(hù)

總線短路保護(hù)是指總線與電源或地短路后，CAN收發(fā)器不會(huì)損壞，短路故障解除后，CAN收發(fā)器能繼續(xù)工作。這個(gè)特性可以在總線極性反接、電纜絕緣層失效、意外短路到高壓源時(shí)對(duì)收發(fā)器提供保護(hù)。

熱關(guān)斷電路用于幫助CAN收發(fā)器防御因短路產(chǎn)生破壞性電流和高溫。一旦激活熱關(guān)斷電路，設(shè)備會(huì)進(jìn)入關(guān)斷模式。當(dāng)設(shè)備冷卻到正常操作溫度時(shí)，設(shè)備自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

本公司使用的PCA82C251收發(fā)器具有短路保護(hù)和熱關(guān)斷保護(hù)。短路保護(hù)允許總線與24V電源短接。

21. 電流隔離

遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸可能會(huì)有較大的地電勢(shì)差、地環(huán)流等問(wèn)題，會(huì)在CAN總線上形成高共模電壓。如果共模電壓超出CAN收發(fā)器容忍的最大限度，數(shù)據(jù)鏈路就會(huì)不正常。

解決這些問(wèn)題的一個(gè)方法是使用電流隔離：隔離變壓器為系統(tǒng)提供電源，光耦或數(shù)字隔離器件提供數(shù)據(jù)隔離。電流隔離可以去除地環(huán)流，抑制噪聲電壓。采用電流隔離的電路如圖21-1所示，本公司CAN接口電路也采用了電流隔離處理。??

圖21-1：遠(yuǎn)距離通訊電流隔離電路示意圖

22. CAN接口電路與RS485接口電路

CAN總線和RS485總線都是采用差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，它們?cè)诳偩€拓?fù)洹⒔K端匹配、信號(hào)衰減、隔離與接地、波特率與通訊距離關(guān)系等方面都是相似的。但是CAN有自己的一些特性，在接口設(shè)計(jì)中，不能照抄RS485接口電路。

CAN總線對(duì)信號(hào)延遲敏感，因此信號(hào)隔離必須使用高速光耦或者磁耦合器件，以減少信號(hào)延遲。公司大量使用的TLP521光耦因?yàn)檠舆t時(shí)間過(guò)大（微秒級(jí)）不可以用于CAN接口電路。

CAN總線對(duì)電容敏感，在設(shè)計(jì)CAN接口電路時(shí)，需要使用CAN專用共模電感、專業(yè)ESD器件；需要根據(jù)應(yīng)用的最大波特率和通訊距離，來(lái)決定是否在CAN總線上增加濾波電容以及濾波電容的大小。

審核編輯：湯梓紅