如何保證CAN網(wǎng)絡(luò)中通訊的可靠性和節(jié)點(diǎn)數(shù)

　　在CAN-bus電路設(shè)計(jì)中，理論上收發(fā)器支持節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可做到110個(gè)，但實(shí)際應(yīng)用中往往達(dá)不到這個(gè)數(shù)量。這里我們談?wù)勅绾瓮ㄟ^合理的CAN-bus總線設(shè)計(jì)，保證CAN網(wǎng)絡(luò)中的通訊的可靠性和節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

　　1.影響CAN總線節(jié)點(diǎn)數(shù)的因素

　　影響總線節(jié)點(diǎn)數(shù)的因素有多種，本文我們從滿足接收節(jié)點(diǎn)的差分電壓幅值方面來討論，只有滿足了這個(gè)前提條件，我們才能考慮總線的其他因素如寄生電容、寄生電感對(duì)信號(hào)的影響。

　　1)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的CAN接口負(fù)載

　　為何考慮CAN接口負(fù)載?

　　CAN接口負(fù)載即為CANH、CANL之間的有效電阻值大小，該電阻會(huì)影響發(fā)送節(jié)點(diǎn)輸出的差分電壓的幅值，組網(wǎng)后網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載電阻 RL接近，如圖 1我們測(cè)試了CTM1051M小體積CAN隔離模塊在不同負(fù)載下的輸出差分電壓幅值。

　　圖 1 不同負(fù)載下的差分電壓

　　在負(fù)載電阻由45Ω不斷增大到66Ω時(shí)，節(jié)點(diǎn)的輸出差分電壓也隨著由1.84V增大到2.16V，兩者近似線性關(guān)系。為了使發(fā)送節(jié)點(diǎn)的輸出差分電壓不至于過低，實(shí)際組網(wǎng)時(shí)負(fù)載電阻應(yīng)在圖 1測(cè)試的范圍內(nèi)波動(dòng)。我們分析RL的組成有3個(gè)：終端電阻、總線節(jié)點(diǎn)的差分輸入電阻、總線本身的有效電阻。

　　終端電阻：總線兩端均需要增加終端電阻，當(dāng)總線距離長時(shí)，總線有效電阻大，損耗大，可以適當(dāng)增加終端電阻值以減小總線有效電阻的損耗，如150Ω~300Ω。

　　差分輸入電阻：ISO 11898中規(guī)定的收發(fā)器差分輸入電阻范圍為10kΩ~100kΩ之間，CTM1051M系列收發(fā)器的差分輸入電阻為19kΩ~52kΩ，其典型值為30 kΩ，如果我們以最多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，按典型值考慮，則整個(gè)總線的差分輸入電阻會(huì)達(dá)到30 kΩ/110=273Ω，與終端電阻并聯(lián)時(shí)會(huì)顯著增加節(jié)點(diǎn)的負(fù)載。

　　總線有效電阻：使用較小截面積的雙絞線，其有效電阻達(dá)到幾十歐姆，長距離通信，總線對(duì)差分信號(hào)的影響會(huì)很大，如常用的RVS非屏蔽雙絞線的電阻從8.0Ω/km到39.0Ω/km不等。嚴(yán)重時(shí)會(huì)使接收點(diǎn)的電平達(dá)不到識(shí)別范圍。

　　差分電壓除負(fù)載電阻的影響外，還會(huì)受到供電電壓的影響，如圖 2我們測(cè)試了CTM1051M模塊在不同電壓，不同負(fù)載下的差分電壓幅值，可以看到電源電壓升高0.5V，差分電壓幅值會(huì)升高約0.3V。

　　圖 2 不同供電電壓下的差分電壓

　　2)接收節(jié)點(diǎn)的識(shí)別電平

　　接收節(jié)點(diǎn)有一定的電平識(shí)別范圍，CTM1051M的CAN接口典型參數(shù)如表 1所示。節(jié)點(diǎn)輸入顯性電平應(yīng)大于0.9V。ISO 11898中，總線上的任意點(diǎn)的最小電平應(yīng)大于1.2V，組網(wǎng)時(shí)我們應(yīng)使差分電壓大于此值。

　　表 1 CAN接口典型參數(shù)

　　2.實(shí)際組網(wǎng)分析

　　目前收發(fā)器的最大組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為110個(gè)，組網(wǎng)時(shí)我們考慮以上的電阻參數(shù)，確保總線上的差分電壓在合理的范圍內(nèi)即可。

　　圖 3為CTM1051M推薦的組網(wǎng)拓?fù)洌覀円紤]總線電阻，終端電阻，發(fā)送點(diǎn)，接收點(diǎn)電壓參數(shù)。畫出其等效電路如圖 4所示。

　　圖 3 CTM1051M推薦組網(wǎng)

　　圖 4 CTM1051M組網(wǎng)等效電路

　　根據(jù)等效電路，我們可以調(diào)整的參數(shù)有終端電阻RT、發(fā)送節(jié)點(diǎn)電壓VOUT、總線有效電阻RW。

　　圖 4中，各節(jié)點(diǎn)的RW、RIN難以準(zhǔn)確確定，組網(wǎng)時(shí)以公式計(jì)算較為繁瑣，簡(jiǎn)便的方法便是測(cè)量總線兩端的節(jié)點(diǎn)電壓。如網(wǎng)絡(luò)的總線電阻過大時(shí)，節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)n總線對(duì)信號(hào)的損耗會(huì)很大，當(dāng)節(jié)點(diǎn)n接收的差分電壓低于1.2V時(shí)，需要增大終端電阻。

　　在使用浪涌抑制器的場(chǎng)合，比如在圖 4的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2之間增加SP00S12信號(hào)浪涌抑制器，其直流等效電阻為9.5Ω，可以將其等效為總線的有效電阻，當(dāng)節(jié)點(diǎn)1收到的電壓過低時(shí)可通過減小總線有效電阻，提高節(jié)點(diǎn)1處的終端電阻來彌補(bǔ)浪涌抑制器帶來的損耗。

　　3.總結(jié)

　　無論總線網(wǎng)絡(luò)長短，網(wǎng)絡(luò)兩端都需要加終端電阻;

　　通訊距離長時(shí)，適當(dāng)增加終端電阻值，減少總線電阻對(duì)信號(hào)的衰減，如150Ω~300Ω;

　　有強(qiáng)烈干擾的場(chǎng)合使用屏蔽雙絞線，屏蔽層單點(diǎn)接大地;

　　收發(fā)器CAN接口輸出的差分電平會(huì)隨著供電電壓的變化而變化，應(yīng)確保供電電壓在手冊(cè)規(guī)定范圍內(nèi)。

　　4.新一代高可靠性CAN-bus隔離收發(fā)器模塊

　　在戶外或其他復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，除了要使用CAN總線隔離收發(fā)器進(jìn)行信號(hào)隔離傳輸，還需要考慮如何避免雷擊、浪涌、過壓等有害信號(hào)對(duì)信號(hào)傳輸系統(tǒng)的影響。針對(duì)這類惡劣的應(yīng)用環(huán)境，致遠(yuǎn)電子推出新一代高防護(hù)等級(jí)隔離CAN收發(fā)器CTM1051HP，在普通的隔離收發(fā)器基礎(chǔ)上集合了總線保護(hù)器的功能，可有效避免雷擊、浪涌、過壓對(duì)CAN總線產(chǎn)生的影響，大大加強(qiáng)總線的可靠性。且CTM1051HP與常規(guī)CAN隔離收發(fā)器相比體積不變，可廣泛應(yīng)用于各類高體積要求或緊湊型產(chǎn)品中，亦可作為現(xiàn)有CAN隔離收發(fā)電路的優(yōu)化方案。