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關(guān)于為什么CAN總線支線長度不能太長?

黃工的嵌入式技術(shù)圈 ? 來源:黃工的嵌入式技術(shù)圈 ? 作者:黃工的嵌入式技術(shù) ? 2020-03-01 11:51 ? 次閱讀
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CAN總線網(wǎng)絡在應用時,工程師常常會建議總線支線不要太長,那么為什么CAN總線支線不能太長,如果某些環(huán)境下必須使用長支線又該怎么辦呢?

CAN網(wǎng)絡的拓撲種類

控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network),是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一,最初是由德國Bosch公司設計的,為解決現(xiàn)代汽車中眾多控制單元、測試儀器之間的實時數(shù)據(jù)交換而開發(fā)一種串行通信協(xié)議。CAN網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)主要有線形拓撲、星形拓撲、樹形拓撲和環(huán)形拓撲等。

線形結(jié)構(gòu)如下圖所示,其特點是一條主干總線,在總線上分出支線到各個節(jié)點,其優(yōu)點在于布線施工簡單,阻抗匹配規(guī)則固定,接線比較方便,缺點是拓撲不夠靈活,在一定程度上影響通訊距離;

星形拓撲如下圖所示,其特點是每個節(jié)點通過中央設備連到一起,優(yōu)點是容易擴展,缺點是一旦中央設備出故障會導致總線集體故障,而且分支線長不同,阻抗匹配復雜,可能需要通過一些中繼器或集線器進行擴展;

樹形拓撲如下圖所示,其特點是分支比較多,且分支長度不同,優(yōu)點是布線方便,缺點是網(wǎng)絡拓撲復雜,阻抗匹配困難,通訊中極易出現(xiàn)問題,必須加一些集線器設備;

環(huán)形拓撲如下圖所示,其特點是將CAN總線頭尾相連,形成環(huán)狀,優(yōu)勢是線纜任意位置斷開,總線都不會出現(xiàn)問題,缺點是信號反射嚴重,無法用于高波特率和遠距離傳輸。

雖然CAN總線可以有多種網(wǎng)絡拓撲,但在實際應用當中比較推薦使用線形拓撲,且在IOS-11898-2中有高速CAN物理層規(guī)范,其中推薦的CAN網(wǎng)絡拓撲也是線形拓撲,下面就針對線形拓撲網(wǎng)絡CAN支線過長問題進行分析。

支線過長帶來的問題

在講CAN支線之前,我們來看一個CAN的波形圖,如下圖所示,大家仔細查看CAN波形圖,會發(fā)現(xiàn)CAN波形上存在明顯的上升沿和下降沿臺階現(xiàn)象,因為臺階的存在,從而引起波特率變化,導致接收節(jié)點采樣出錯(也稱位寬錯誤)。

邊沿臺階出現(xiàn)的源頭主要是CAN節(jié)點的分支,分支過長形成的反射就變強,將會導致位寬度失調(diào)的錯誤。ISO11898中只規(guī)定1M波特率下分支不超過0.3米,支線過長會直接導致總線阻抗匹配問題發(fā)生,阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負載之間達到一種適合的搭配,阻抗匹配主要為了調(diào)整負載功率和抑制信號反射,所以一旦阻抗匹配出現(xiàn)問題,就出現(xiàn)了上圖中的上升沿和下降沿的臺階。

解決支線過長的辦法

如果我們的總線存在支線過長的問題,那么該怎么辦呢?我們下面提供幾種解決方案:

1、減小分支長度

在CAN網(wǎng)絡布局的根源上解決問題的方式就是減少CAN節(jié)點的分支長度,從而降低信號反射,保證位寬的穩(wěn)定性。如上圖波形實驗中,其它條件不變,只將分支長度減少為20cm,此時并沒有看到邊沿臺階的出現(xiàn)。由此可見,減少分支長度是消除邊沿臺階的最直接方式。

2、長分支上加適當電阻

在網(wǎng)絡布局無法改變,分支引起的信號反射必須存在的情況下。最實用的方法就是在長分支末端加上電阻,消除信號反射。同樣的在上述實驗中,在分支節(jié)點處加上一個200Ω的電阻,其它條件不變進行通信實驗。下圖為實驗的CAN波形圖,此時可以看到邊沿臺階已被消減,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候應小于500Ω。

3、增加CAN中繼器或集線器

當然很多場合是在出現(xiàn)了問題之后才發(fā)現(xiàn)支線過長,當重新布線或更改節(jié)點本身都無法操作的情況下,我們也有解決方案,那就是在過長的支線上增加CAN中繼器,典型的如致遠電子CANBridge,甚至可以支持不同波特率的CAN網(wǎng)絡的連接。

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