CAN總線冷知識(shí)-邊沿臺(tái)階是怎么來(lái)的？

你了解CAN總線波形嗎？你知道是什么因素造成CAN信號(hào)不穩(wěn)定的嗎？本文將帶你探究影響CAN波形穩(wěn)定的罪魁禍?zhǔn)住呇嘏_(tái)階。

阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)載之間達(dá)到一種適合的搭配，阻抗匹配主要為了調(diào)整負(fù)載功率和抑制信號(hào)反射；然而，阻抗不匹配的現(xiàn)象在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中隨處可見(jiàn)；如圖1所示，阻抗不匹配的將造成7個(gè)現(xiàn)象，其中最受關(guān)注的為上升沿和下降沿的臺(tái)階；下文將針對(duì)邊沿臺(tái)階的現(xiàn)象做詳細(xì)介紹。

圖1  阻抗不匹配波形

解釋邊沿臺(tái)階是怎么出現(xiàn)的，如何消除，對(duì)總線有何影響；

一、邊沿臺(tái)階的源頭

在CAN總線的網(wǎng)絡(luò)布局中，手牽手直線型拓?fù)涫亲罾硐胱畛Ｒ?guī)的布局；但是在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)分支的現(xiàn)象。這里重點(diǎn)提一下，在計(jì)算CAN總線長(zhǎng)度的時(shí)候，分支（從收發(fā)器端至總線）長(zhǎng)度也要加上。為此我們做了分支過(guò)長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中CAN總線中有三個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，主干線長(zhǎng)度為15米，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的分支長(zhǎng)度為1米，波特率為250k的情況下進(jìn)行通信。下圖為實(shí)驗(yàn)的CAN波形圖，明顯可以看到上升沿和下降沿存在臺(tái)階現(xiàn)象，從而引起波特率變化，導(dǎo)致接收節(jié)點(diǎn)采樣出錯(cuò)（也稱位寬錯(cuò)誤）。

所以，邊沿臺(tái)階出現(xiàn)的源頭主要是CAN節(jié)點(diǎn)的分支，分支過(guò)長(zhǎng)形成的反射就變強(qiáng)，將會(huì)導(dǎo)致位寬度失調(diào)的錯(cuò)誤。ISO11898中只規(guī)定1M波特率下分支不超過(guò)0.3米，但是在其它情況下并沒(méi)有做聲明，這個(gè)便取決于現(xiàn)場(chǎng)工程師們的經(jīng)驗(yàn)。

二、消除邊沿臺(tái)階

邊沿臺(tái)階是造成錯(cuò)誤波形的罪魁禍?zhǔn)?，那么該如何消除邊沿臺(tái)階的現(xiàn)象呢？下文將從源頭以及補(bǔ)救措施上分別介紹一些可靠有效的方法。

1.減少分支長(zhǎng)度

在CAN網(wǎng)絡(luò)布局的根源上解決問(wèn)題的方式就是減少CAN節(jié)點(diǎn)的分支長(zhǎng)度，從而降低信號(hào)反射，保證位寬的穩(wěn)定性。在上述實(shí)驗(yàn)中，其它條件不變，只將分支長(zhǎng)度減少為20cm；下圖為CAN波形圖，此時(shí)并沒(méi)有看到邊沿臺(tái)階的出現(xiàn)。由此可見(jiàn)，減少分支長(zhǎng)度是消除邊沿臺(tái)階的最直接方式。

2.長(zhǎng)分支上加適當(dāng)電阻

在網(wǎng)絡(luò)布局無(wú)法改變，分支引起的信號(hào)反射必須存在的情況下。最實(shí)用的方法就是在長(zhǎng)分支末端加上電阻，消除信號(hào)反射。同樣的在上述實(shí)驗(yàn)中，在分支節(jié)點(diǎn)處加上一個(gè)200Ω的電阻，其它條件不變進(jìn)行通信實(shí)驗(yàn)。下圖為實(shí)驗(yàn)的CAN波形圖，此時(shí)可以看到邊沿臺(tái)階已被消減，但是加了電阻之后差分電壓變小，注意差分電壓不得小于0.9V。這里值得一提的是：阻值大于500Ω的電阻吸收反射的能力很弱，所以在末端掛電阻的時(shí)候應(yīng)小于500Ω。

3.縮短殘端

前面提到分支長(zhǎng)度指的是從節(jié)點(diǎn)收發(fā)器至總線處的距離，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)之初，應(yīng)選擇TTL遠(yuǎn)傳方式，因?yàn)門(mén)TL電平不受CAN電容影響，所以收發(fā)器應(yīng)靠近接口擺放，以減少分支殘段的長(zhǎng)度，建議控制在10cm以內(nèi)，可以保證阻抗連續(xù)。

TTL遠(yuǎn)傳最直接的方式就是將CAN收發(fā)器緊挨著CAN主干線放置，這樣就沒(méi)有分支長(zhǎng)度。光纜星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)便是使用這種方式，如下圖；CAN光纖收發(fā)器內(nèi)置在盒子里面，使用TTL電平遠(yuǎn)傳到另一個(gè)CAN光纖收發(fā)器，解決了節(jié)點(diǎn)隨意變化問(wèn)題（節(jié)點(diǎn)任意上下電或插拔）。

4.消除負(fù)載集中

在布局較復(fù)雜的CAN網(wǎng)絡(luò)中，為了避免節(jié)點(diǎn)擺放集中導(dǎo)致反射疊加，建議相鄰節(jié)點(diǎn)的距離不得小于2cm，10m的電纜上所集中的設(shè)備最好不要超過(guò)4個(gè)，否則應(yīng)加電容以吸收，并且此集中與下一個(gè)集中至少有10m的電纜距離。

同樣，在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)布局中，分支過(guò)長(zhǎng)且不等的網(wǎng)絡(luò)，由于阻抗匹配困難，常使用集線器或中繼器進(jìn)行分支；集線器和中繼器有獨(dú)立的控制器和MCU，將每段形成獨(dú)立的直線拓?fù)洌缦聢D。

5.屏蔽層分段接地

屏蔽層多點(diǎn)接地需要注意接地點(diǎn)電位，避免地回流影響信號(hào)質(zhì)量。若屏蔽層太長(zhǎng)可以采用分段屏蔽，單點(diǎn)接地方法，如下圖，就可以有效避免地回流的問(wèn)題。

三、邊沿一致性測(cè)試

信號(hào)邊沿是反映信號(hào)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。若信號(hào)下降邊沿變緩造成CAN信號(hào)波形一定程度的失真，導(dǎo)致收發(fā)器采樣出錯(cuò)。參考主流車(chē)企的邊沿測(cè)試，一般把邊沿10%到90%所經(jīng)歷的時(shí)間作為邊沿時(shí)間，仿真了DUT接入CAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)可能會(huì)受到的容抗影響，以使測(cè)量結(jié)果更具有實(shí)際意義。分別在CANDT仿真的小電容、大電容負(fù)載的環(huán)境，對(duì)DUT的邊沿進(jìn)行測(cè)量。

l測(cè)試目的：分別在小電容和大電容負(fù)載下測(cè)量CANH、CANL及CANDIFF信號(hào)位上升或下降時(shí)間；

l測(cè)試原理：測(cè)試原理如下圖，DUT往總線正常傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀是顯性位和隱性位的序列，即傳的數(shù)據(jù)中包含了上升、下降時(shí)間信息；

四、CANDT

ZLG致遠(yuǎn)電子發(fā)布的CANDT一致性測(cè)試系統(tǒng)可自動(dòng)化完成CAN節(jié)點(diǎn)物理層、鏈路層及應(yīng)用層一致性測(cè)試，是當(dāng)前CAN總線測(cè)試領(lǐng)域唯一能夠進(jìn)行完善的物理層自動(dòng)化測(cè)試并導(dǎo)出報(bào)表的儀器設(shè)備。避免了人工測(cè)量統(tǒng)計(jì)的誤差，同時(shí)配合自動(dòng)化測(cè)試的方式，減少了測(cè)試時(shí)間的浪費(fèi)，提高了測(cè)試的準(zhǔn)確度，極大節(jié)約了人工成本。

CANDT一致性測(cè)試系統(tǒng)基于CANScope底層分析能力，集成示波器、電源等必要設(shè)備，可覆蓋主機(jī)廠CAN一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，為主機(jī)廠及零部件企業(yè)建立CAN總線測(cè)試及保障體系。