CAN總線波形中為什么ACK電平偏高？

　　CAN總線一直以實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)保證到達(dá)等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于高可靠性的場合。但常常在觀察CAN通信波形時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)差分電平在ACK段突然增高，這是什么原因?qū)е碌哪?這里結(jié)合測試實(shí)例對(duì)ACK電平偏高的原因做簡單分析。

　　一、ACK簡介

　　ACK的作用：確認(rèn)一幀報(bào)文是否正常接收。

　　以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)椐幀為例，從結(jié)構(gòu)上看分成7段，分別為起始段、仲裁段、控制段、數(shù)椐段、CRC校驗(yàn)段、ACK應(yīng)答段、幀結(jié)束段，如圖1所示：  

　　圖1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)椐幀結(jié)構(gòu)

　　ACK段長度為2個(gè)位，包含應(yīng)答間隙(ACK SLOT)和應(yīng)答界定符(ACK DELIMITER)。在應(yīng)答場里，發(fā)送站發(fā)送兩個(gè)“隱性”位。當(dāng)接收器正確地接收到有效的報(bào)文，接收器就會(huì)在應(yīng)答間隙(ACK SLOT)期間(發(fā)送ACK信號(hào))向發(fā)送器發(fā)送一“顯性”的位以示應(yīng)答。如圖2 (CANScope測試的ACK段波形圖)所示：

　　圖2 ACK應(yīng)答位結(jié)構(gòu)

　　應(yīng)答間隙：所有接收到匹配CRC序列(CRC SEQUENCE)的節(jié)點(diǎn)會(huì)在應(yīng)答間隙(ACK SLOT)期間用一“顯性”的位寫入發(fā)送器的“隱性”位來作出回答，由于CAN總線線與的原理，只要總線上有一個(gè)節(jié)點(diǎn)正確接收到數(shù)據(jù)，則ACK SLOT就會(huì)被填入顯性電平。

　　ACK界定符：ACK界定符是ACK場的第二個(gè)位，并且是一個(gè)必須為“隱性”的位。因此，應(yīng)答間隙(ACK SLOT)被兩個(gè)“隱性”的位所包圍，也就是CRC界定符(CRC DELIMITER)和ACK界定符(ACK DELIMITER)。

　　當(dāng)一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)接收的幀起始到CRC段之間的內(nèi)容沒發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，它將在ACK段發(fā)送一個(gè)顯性電平。 如圖3所示：

　　圖3 ACK應(yīng)答過程分析

　　二、CAN總線ACK電平偏高原因分析

　　以使用ZLG致遠(yuǎn)電子CANScope測試某電車CAN網(wǎng)絡(luò)為例，20多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)采樣手牽手方式組網(wǎng)，線兩端各接120歐電阻，通訊能夠正常，但差分信號(hào)波形應(yīng)答位電平偏高較多，如圖4所示，從CANScope的波形圖中可以清楚的看到ACK電平突增。

　　圖4 CAN數(shù)椐幀波形分析

　　CAN總線通信存在異常，ACK應(yīng)答有問題?——NO

　　分析如下：

　　首先，我們看一款CAN收發(fā)器的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，CANH、CANL連接總線。

　　圖5 CAN收發(fā)器的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　總線顯性時(shí)(邏輯為0)，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)(邏輯為1)，Q1、Q2截止，CANH、CANL處于無源狀態(tài)，壓差為0。

　　按照標(biāo)準(zhǔn)，在總線輸出為顯性時(shí)，CANH=3.5V，CANL=1.5V，差分分電平：CANH-CANL=2V，總線網(wǎng)絡(luò)電阻為60歐，流經(jīng)終端電阻的電流約為33mA(2V/60歐);

　　然而，CAN收發(fā)器在輸出顯性時(shí)，CANH電平并不是標(biāo)準(zhǔn)的3.5V，而是5V(VCC)通過一個(gè)二極管降壓得到的，二極管的壓降由負(fù)載電流決定。圖6所示的VDH為CANH對(duì)應(yīng)的二極管壓降，VDL為CANL對(duì)于的二極管壓降，流過的電流越大，二極管的壓降就越大?？芍?/p>

　　CANH的電壓=5V-VDH CANL的電壓=0V+VDL

　　圖6 CAN收發(fā)器等效結(jié)構(gòu)

　　在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)一幀報(bào)文被各個(gè)節(jié)點(diǎn)接收時(shí)，在ACK階段，多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)同時(shí)響應(yīng)(都發(fā)顯性)，流過終端電阻的電流被各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)均分，那么平均到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流就減小了，如下圖所示，VDH、VDL的壓降也減小，相應(yīng)CANH-CANL的差分電壓就增大了，即ACK應(yīng)答電平偏高。

　　圖7 CAN網(wǎng)絡(luò)等效結(jié)構(gòu)

　　三、ACK的意義

　　當(dāng)CAN總線上只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)可收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，總線上因無接收節(jié)點(diǎn)在ACK SLOT時(shí)間內(nèi) 發(fā)送“顯性”位填充，而始終保持隱性，發(fā)送者會(huì)檢測到這個(gè)隱性位而知道發(fā)送失敗，此條報(bào)文需要重發(fā)。因此這個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)一直重發(fā)數(shù)據(jù)直到發(fā)送成功或發(fā)送被取消。

　　當(dāng)總線上有多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信時(shí)，由于總線電平線與的原理，只要總線上有一個(gè)節(jié)點(diǎn)正確接收到數(shù)據(jù)，則ACK SLOT就會(huì)被填入顯性電平(此時(shí)認(rèn)為數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功), 那么，接收錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)如何來告知發(fā)送者此次發(fā)送不成功呢?這就要用到CAN的錯(cuò)誤幀，當(dāng)一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)時(shí)，它立即廣播發(fā)送一個(gè)錯(cuò)誤幀，其它的節(jié)點(diǎn)和發(fā)送者也都會(huì)收到這個(gè)錯(cuò)誤幀而丟掉此次報(bào)文，發(fā)送節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送，這才是ACK的意義。