CAN通信邊沿緩慢導(dǎo)致通信錯誤原因分析與優(yōu)化

在CAN通信系統(tǒng)的故障排查過程中，常常遇到因邊沿緩慢而導(dǎo)致的通信錯誤。

邊沿緩慢主要影響CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的錯誤幀增多。

以下通過一個實(shí)際案例對邊沿緩慢現(xiàn)象的成因進(jìn)行分析，并提供有效的排查與優(yōu)化建議。

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現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析

圖 1展示了通過ZPS-CANFD采集的現(xiàn)場CAN網(wǎng)絡(luò)報文和波形數(shù)據(jù)。

從報文數(shù)據(jù)可以看出，所有的幀均為錯誤幀，說明CAN網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了通信錯誤。

結(jié)合波形數(shù)據(jù)觀察，發(fā)現(xiàn)CAN差分信號的波形邊沿十分緩慢，呈現(xiàn)出類似鐮刀形狀。

這種緩慢的邊沿形態(tài)，會影響CAN通信中顯隱性電平的識別，進(jìn)而導(dǎo)致通信錯誤的發(fā)生。

圖1：差分波形邊沿緩慢現(xiàn)象

通過對該波形的分析，發(fā)現(xiàn)邊沿的上升和下降時間都較長，且波形中不再呈現(xiàn)理想的快速上升和下降。

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邊沿時間測量

通過ZPS的【總線邊沿測量】功能，測量了該CAN差分波形的上升和下降時間。

結(jié)果顯示：

• 上升時間約為300ns

• 下降時間約為600ns

圖2：差分波形邊沿時間測量結(jié)果

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原因排查

邊沿緩慢的現(xiàn)象，通常與CAN總線差分電平的充放電過程密切相關(guān)。

我們知道，當(dāng)CAN總線電平從低變高（上升沿）時，收發(fā)器的Q1、Q2導(dǎo)通，電容開始充電；當(dāng)電平從高變低（下降沿）時，Q1、Q2斷開，電容通過終端電阻放電。

由于電容的充放電需要一定的時間，電容值越大，充放電所需時間（即時間常數(shù)τ）越長，導(dǎo)致波形的上升和下降時間增加。

根據(jù)電容充放電的時間常數(shù)公式：

當(dāng)電阻值（R）固定時，電容（C）越大，時間常數(shù)τ值就越大，進(jìn)而導(dǎo)致邊沿緩慢的現(xiàn)象。

通過對現(xiàn)場CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電路的檢查，發(fā)現(xiàn)收發(fā)器外圍電路中存在TVS管、氣體放電管等保護(hù)器件。

這些器件的結(jié)電容會影響總線的信號傳輸，尤其是當(dāng)選用結(jié)電容較大的TVS管時（如電容值在幾百到上千皮法范圍內(nèi)），會導(dǎo)致總線的電容增加，進(jìn)而在高速通信時產(chǎn)生邊沿緩慢的波形。

圖3：CAN總線充放電示意圖

圖4：CAN節(jié)點(diǎn)電路

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優(yōu)化措施與效果

針對上述問題，優(yōu)化措施是將CAN節(jié)點(diǎn)收發(fā)器外圍電路中的TVS管去除。

去除TVS管后，再次進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，觀察到波形和邊沿時間有了顯著改善。

具體表現(xiàn)為：

• CAN差分信號的上升時間從原來的300ns減少到30ns左右

• CAN差分信號的下降時間從原來的600ns減少到40ns左右

圖5：優(yōu)化后的CAN差分波形

圖6：優(yōu)化后CAN差分波形邊沿時間測量結(jié)果

通過去除結(jié)電容較大的保護(hù)器件，CAN網(wǎng)絡(luò)的邊沿緩慢現(xiàn)象得到了有效的改善，通信穩(wěn)定性也得到了顯著提升。

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CAN網(wǎng)絡(luò)邊沿緩慢原因排查建議

當(dāng)CAN網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)邊沿過于緩慢的現(xiàn)象時，可以從以下幾個方向進(jìn)行排查和優(yōu)化：

• 檢查CAN節(jié)點(diǎn)電路中的保護(hù)器件：確認(rèn)是否存在等效電容較大的保護(hù)器件（如TVS管、氣體放電管等）。選用結(jié)電容較小的保護(hù)器件，以減少對總線信號的影響。

• 檢查節(jié)點(diǎn)電路中的電容：檢查CAN節(jié)點(diǎn)電路是否存在過大的對地電容（如CAN對地電容、CANL對地、CANH對CANL的電容）。過大的電容會顯著降低信號的邊沿速度，影響通信的正常進(jìn)行。

• 檢查通信線纜的寄生電容：確保通信線纜的選擇合理，避免選用寄生電容過大的線纜。電纜的長度和類型也會影響信號的傳輸質(zhì)量。

• 優(yōu)化總線布局：在設(shè)計(jì)CAN總線時，盡量避免長距離的連接，保持合理的總線長度和節(jié)點(diǎn)間距，以減少寄生電容的影響。

通過上述排查和優(yōu)化措施，可以有效避免因邊沿緩慢引起的CAN通信錯誤，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。