1.1 電平標(biāo)準(zhǔn)CAN總線的CANH、CANL的電平值及其邏輯屬性如圖1所示。
圖 1 ISO11898和11519-2物理層的輸出電壓標(biāo)準(zhǔn)
從圖1中可以看出，按照ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，隱性狀態(tài)時(shí)，CANH與CANL相等，幅值范圍為2V~3V；線性狀態(tài)時(shí)，CANH比CANL高2V左右。差分信號(hào)CAN Diff的電平要求為隱形狀態(tài)-0.5V-0.05V，顯性狀態(tài)1.5V~3V。
其中CANH、CANL的具體電平要求，以及CAN Diff的范圍要求由每個(gè)節(jié)點(diǎn)的CAN PHY確定。比如，對(duì)于TI CAN PHY芯片SN65HVD230來(lái)說(shuō)，其輸出時(shí)的電平屬性如圖2所示，即輸出時(shí)，顯性狀態(tài)CANH電平范圍為2.45V-VCC，CANL電平范圍為0.5V~1.25V；隱性狀態(tài)CANH與CANL的電平均為2.3V左右。SN65HVD230的接收電平要求如圖3所示，即差分電平>900mV時(shí)認(rèn)為CAN總線處于顯性狀態(tài)，差分電平<500mV時(shí)認(rèn)為CAN總線處于隱性狀態(tài)，如圖4所示。 故CAN總線的發(fā)送、接收電平具體要求需要根據(jù)實(shí)際芯片確定。 CAN總線的邏輯狀態(tài)定義為：隱性狀態(tài)代表邏輯1，顯性狀態(tài)代表邏輯0。
圖 2 SN65HVD230 CAN總線輸出電平特性
圖 3 SN65HVD230 CAN總線輸入電平特性
圖 4 CAN總線接收電平特性 1.2 傳輸距離
圖 5 CAN總線傳輸距離與波特率的關(guān)系
CAN總線在總線長(zhǎng)度小于40m時(shí)可以達(dá)到支持的最高波特率1Mbps，隨著總線長(zhǎng)度的增加，總線波特率會(huì)隨之遞減，總線傳輸距離與波特率的關(guān)系曲線如圖5所示。
1.3 總線仲裁不同的CAN節(jié)點(diǎn)、不同的CAN數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)不同，CAN總線通過(guò)線與的方式來(lái)確定各自的優(yōu)先級(jí)。
原理為：當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到總線上時(shí)，只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)輸出低電平（顯性狀態(tài)），總線就為低電平，只有所有節(jié)點(diǎn)均輸出為高電平（隱性狀態(tài)）時(shí)，總線才為高電平，如圖6所示。
原因是：顯性電平為強(qiáng)驅(qū)動(dòng)，隱性電平為弱驅(qū)動(dòng)，故顯性電平可以覆蓋隱性電平。
圖 6 CAN總線仲裁原理
以SN65HVD230為例，CAN PHY內(nèi)部的CANH和CANL輸出是通過(guò)MOS進(jìn)行控制的，當(dāng)需要輸出顯性電平時(shí)，CANH和CANL的MOS均導(dǎo)通，將CANH和CANL分別拉高和拉低，故差分后為高電平；當(dāng)需輸出隱性電平時(shí)，CANH和CANL的MOS均斷開(kāi)，CANH和CANL的電平均等于輸出接口處的電阻分壓，故差分后為0V。當(dāng)CAN總線鏈路中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)輸出顯性電平時(shí)，其他輸出隱性電平的節(jié)點(diǎn)電平會(huì)被相應(yīng)的拉高或者拉低，從而實(shí)現(xiàn)線與操作。
圖 7 SN65HVD230等效原理圖
不同數(shù)據(jù)幀之間的仲裁過(guò)程如圖8、9所示，即：
? 幀ID值越小，優(yōu)先級(jí)越高；
? 對(duì)于同為擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀、標(biāo)準(zhǔn)格式遠(yuǎn)程幀和擴(kuò)展格式遠(yuǎn)程幀的情況同理；
圖 8 不同節(jié)點(diǎn)的CAN總線仲裁
圖 9 不同優(yōu)先級(jí)幀之間的仲裁
對(duì)于每一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，當(dāng)CAN控制器在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)同時(shí)監(jiān)聽(tīng)CAN總線上的數(shù)據(jù)是否與發(fā)送的數(shù)據(jù)相同（故在執(zhí)行CAN發(fā)送操作時(shí)，RX和TX上均可以測(cè)得數(shù)據(jù)），若相同，則繼續(xù)發(fā)送；若不同，則根據(jù)數(shù)據(jù)為執(zhí)行不同操作：
? 數(shù)據(jù)位為仲裁段，則退出總線競(jìng)爭(zhēng)；
? 數(shù)據(jù)為為其他段，則產(chǎn)生錯(cuò)誤事件。
圖 10 CAN控制器電平監(jiān)視原理 2 CAN布線拓?fù)?/h2>2.1 直線型拓?fù)?/h3>直線型拓?fù)涫亲畛Ｓ玫腃AN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，典型結(jié)構(gòu)如圖11所示，即主干兩條先上分出支線到各個(gè)節(jié)點(diǎn)，主干線兩端添加端接電阻。
圖 11 典型直線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
? “手牽手”式連接
為了減少分支處引起的反射問(wèn)題，多采用“手牽手”式連接，以盡量減少分支長(zhǎng)度。
圖 12 “手牽手”式分支連接
? “T”型分支式連接
若無(wú)法避免引出分支，則一般使用“T”型分支連接，如圖13所示，所有分支掛載在主線上。
圖 13 “T”型分支連接
需注意的是：分支長(zhǎng)度應(yīng)警兩端，一般不大于0.3m。
圖 14 ISO11898中對(duì)Stub長(zhǎng)度的規(guī)定
2.2 星型拓?fù)?br>
圖 15 星形等長(zhǎng)拓?fù)?br> 當(dāng)多個(gè)設(shè)備需組成組網(wǎng)時(shí)，可使用星形拓?fù)?。與直線型拓?fù)洳煌氖?，星形拓?fù)涿總€(gè)節(jié)點(diǎn)均需要終端電阻，且終端電阻阻值為：R=n*60歐姆
其中：
? R為每個(gè)分支的終端電阻阻值
? N為分支數(shù)量
注：星形中心不得加任何電阻 3 CAN可靠性設(shè)計(jì)提高CAN總線可靠性的方法主要有：隔離、添加地線、屏蔽、雙絞、端接等。 3.1 隔離隔離的主要目的是：隔離瞬態(tài)干擾，消除較大的地電位差，減小地回流路徑。
當(dāng)系統(tǒng)中存在大功率感性負(fù)載，如電機(jī)、變壓器、繼電器等時(shí)，大功率負(fù)載開(kāi)關(guān)瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的瞬態(tài)干擾，可能超過(guò)CAN PHY的共模電壓容限，燒毀CAN PHY，故通過(guò)隔離，可放置瞬態(tài)干擾對(duì)CAN總線產(chǎn)生損壞。
當(dāng)CAN總線鏈路較長(zhǎng)時(shí)，相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可能存在很大的電位差，該電位差在發(fā)送器的輸出上就變成了共模噪聲，若這個(gè)共模噪聲太大，就可能超過(guò)CAN PHY的共模電壓容限，損壞CAN PHY，如圖16所示。
圖 16 兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)之間存在地電位差
節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)或節(jié)點(diǎn)之間存在較大地電位差時(shí)，不建議按照?qǐng)D17所示，直接通過(guò)導(dǎo)線將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的GND共地，因?yàn)榭赡軙?huì)引起很大的地回路電流，耦合到數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生共模噪聲。
圖 17 兩節(jié)點(diǎn)之間直接通過(guò)導(dǎo)線共地
上述問(wèn)題通過(guò)在接地通路上插入電阻可以減小回路電流，如圖18，但一個(gè)大接地回路的存在就使數(shù)據(jù)鏈路對(duì)回路中其他地方的噪聲非常敏感，故該種方式無(wú)法建立一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)鏈路。
圖 18 接地點(diǎn)添加大電阻
當(dāng)將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隔離時(shí)，如圖19所示，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間直接通過(guò)地線連接，可以抑制由接地電勢(shì)差、接地環(huán)路引起的各種共模干擾，保證證總線在嚴(yán)重干擾和其它系統(tǒng)級(jí)噪聲存在的情況下不間斷、無(wú)差錯(cuò)運(yùn)行。
圖 19 兩個(gè)節(jié)點(diǎn)隔離 3.2 添加地線當(dāng)采用隔離CAN方案時(shí)，若因各個(gè)節(jié)點(diǎn)本身使用的相同的電源網(wǎng)絡(luò)而未對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)專(zhuān)門(mén)進(jìn)行共地處理，則在進(jìn)行通信時(shí)，可能會(huì)由于回流面積過(guò)大而耦合共模干擾。故建議按照?qǐng)D20所示的方式，采用三線制，即CANH、CANL、GND，保證所有節(jié)點(diǎn)之間具有較小的回流路徑。
圖 20 CAN信號(hào)共地
若不進(jìn)行共地線處理，則電源線在布線時(shí)需要特別注意，可參考圖21、圖22中的方式，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)功耗相當(dāng)時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電源順序布置；當(dāng)部分節(jié)點(diǎn)功耗較高，其他節(jié)點(diǎn)功耗較低時(shí)，低功耗節(jié)點(diǎn)可在高功耗節(jié)點(diǎn)導(dǎo)線中部取電。
圖 21 順序供電
圖 22 大電流網(wǎng)絡(luò)與小電流網(wǎng)絡(luò)混合供電
3.3 屏蔽
當(dāng)鏈路中存在較大干擾源時(shí)，建議使用屏蔽線，如圖23所示。
圖 23 屏蔽雙絞線
屏蔽線的接地方法有三種：
? 屏蔽層單點(diǎn)接地——避免地回流
? 節(jié)點(diǎn)信號(hào)地阻容接自身外殼
? 屏蔽層分段屏蔽——可以加快高頻干擾信號(hào)泄放
圖 24 屏蔽層單點(diǎn)接地
圖 25 節(jié)點(diǎn)信號(hào)地阻容接自身外殼地
圖 26 屏蔽層分段屏蔽法 3.4 雙絞CAN總線信號(hào)為差分信號(hào)，為了提高抗干擾能力，需使用差分線。==CANH、CANL之間的絞距越小，差分線抗干擾的能力越強(qiáng)。==通常雙絞線只有33絞/米，而在強(qiáng)干擾場(chǎng)合，雙絞程度要到45-55絞/米才能達(dá)到較好的抗干擾效果。另外線纜的芯截面積要大于0.35~0.5mm2，CAN_H對(duì)CAN_L的線間電容小于75pF/m，如果采用屏蔽雙絞線，CAN_H(或CAN_L)對(duì)屏蔽層的電容小于110pF/m。可以更好地降低線纜阻抗，從而降低干擾時(shí)抖動(dòng)電壓的幅度。
圖 27 雙絞線對(duì)磁干擾的衰減比 3.5 端接CAN總線信號(hào)在電纜上傳輸時(shí)，當(dāng)阻抗不連續(xù)或者發(fā)生突變時(shí)就會(huì)發(fā)生反射，反射會(huì)引起信號(hào)惡化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤碼。為減小反射，應(yīng)保證傳輸鏈路的阻抗連續(xù)，但電纜終點(diǎn)處阻抗是突變的，故需在線纜兩端添加匹配電阻，阻值一般選擇120ohm（AWG22/23雙絞線）。 3.6 防護(hù)為提高CAN總線抗浪涌、防雷等能力，一般通過(guò)添加氣放管、TVS、壓敏電阻等防護(hù)器件進(jìn)行防護(hù)。但需注意：防護(hù)器件會(huì)增大寄生電容，對(duì)信號(hào)質(zhì)量造成影響。
圖 28 CAN總線典型防護(hù)電路 3.7 光通信當(dāng)環(huán)境中電磁干擾太強(qiáng)時(shí)，為保證信號(hào)質(zhì)量，可將CAN信號(hào)通過(guò)光纖傳輸。
圖 29 使用光纖進(jìn)行CAN通信 3.8 遠(yuǎn)離干擾源除通過(guò)以上方法提高CAN總線可靠性外，比較簡(jiǎn)單有效的方法還有：遠(yuǎn)離干擾源，即強(qiáng)弱電分開(kāi)走線，盡量避免近距離平行走線。
CAN總線應(yīng)盡量避免與大電流、有劇烈電流變化的設(shè)備近距離平行走線，如繼電器、電磁閥、逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)線等。 3.9 添加濾波器件若某個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)內(nèi)部存在較大干擾，從而對(duì)整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)造成影響，則可以在該節(jié)點(diǎn)的輸出端口處添加磁環(huán)或共模電感等濾波器件，但磁環(huán)或共模電感的大小需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，以免影響正常通信。
圖 30 CAN節(jié)點(diǎn)添加磁環(huán) 參考：
? ZLG致遠(yuǎn)電子——CAN總線抗干擾的六種解決方案
? ZLG致遠(yuǎn)電子——CAN總線節(jié)點(diǎn)的可靠性設(shè)計(jì)
? ZLG致遠(yuǎn)電子——CAN-bus電纜/插座/布線規(guī)范
? ZLG致遠(yuǎn)電子——CTM&RSM系列隔離收發(fā)器
? 瑞薩電阻——CAN入門(mén)書(shū)
? ISO11898-2 High-speed medium access unit
? TI SN65HVD23x 3.3V CAN總線收發(fā)器
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