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CAN总线物理层关键威廉希尔官方网站及可靠性设计

2019-10-13 22:22:01 3152 CAN

0 ` 1 CAN总线物理层 1.1 电平标准 CAN总线的CANH、CANL的电平值及其逻辑属性如图1所示。图1 ISO11898和11519-2物理层的输出电压标准从图1中可以看出，按照ISO11898标准，隐性状态时，CANH与CANL相等，幅值范围为2V~3V；线性状态时，CANH比CANL高2V左右。差分信号CAN Diff的电平要求为隐形状态-0.5V~0.05V，显性状态1.5V~3V。其中CANH、CANL的具体电平要求，以及CANDiff的范围要求由每个节点的CAN PHY确定。比如，对于tiCAN PHY芯片SN65HVD230来说，其输出时的电平属性如图2所示，即输出时，显性状态CANH电平范围为2.45V~VCC，CANL电平范围为0.5V~1.25V；隐性状态CANH与CANL的电平均为2.3V左右。SN65HVD230的接收电平要求如图3所示，即差分电平>900mV时认为CAN总线处于显性状态，差分电平<500mV时认为CAN总线处于隐性状态，如图4所示。故CAN总线的发送、接收电平具体要求需要根据实际芯片确定。 CAN总线的逻辑状态定义为：隐性状态代表逻辑1，显性状态代表逻辑0。图2 SN65HVD230 CAN总线输出电平特性图3 SN65HVD230 CAN总线输入电平特性图4 CAN总线接收电平特性 1.2 传输距离图5 CAN总线传输距离与波特率的关系 CAN总线在总线长度小于40m时可以达到支持的最高波特率1Mbps，随着总线长度的增加，总线波特率会随之递减，总线传输距离与波特率的关系曲线如图5所示。 1.3 总线仲裁不同的CAN节点、不同的CAN数据帧的优先级不同，CAN总线通过线与的方式来确定各自的优先级。原理为：当多个节点连接到总线上时，只要有一个节点输出低电平（显性状态），总线就为低电平，只有所有节点均输出为高电平（隐性状态）时，总线才为高电平，如图6所示。原因是：显性电平为强驱动，隐性电平为弱驱动，故显性电平可以覆盖隐性电平。图6 CAN总线仲裁原理以SN65HVD230为例，CAN PHY内部的CANH和CANL输出是通过MOS进行控制的，当需要输出显性电平时，CANH和CANL的MOS均导通，将CANH和CANL分别拉高和拉低，故差分后为高电平；当需输出隐性电平时，CANH和CANL的MOS均断开，CANH和CANL的电平均等于输出接口处的电阻分压，故差分后为0V。当CAN总线链路中有一个节点输出显性电平时，其他输出隐性电平的节点电平会被相应的拉高或者拉低，从而实现线与操作。图7 SN65HVD230等效原理图不同数据帧之间的仲裁过程如图8、9所示，即： l 帧ID值越小，优先级越高； l 对于同为扩展格式数据帧、标准格式远程帧和扩展格式远程帧的情况同理；图8 不同节点的CAN总线仲裁图9 不同优先级帧之间的仲裁对于每一个CAN节点来说，当CAN控制器在发送数据时，会同时监听CAN总线上的数据是否与发送的数据相同（故在执行CAN发送操作时，RX和TX上均可以测得数据），若相同，则继续发送；若不同，则根据数据为执行不同操作： l 数据位为仲裁段，则退出总线竞争； l 数据为为其他段，则产生错误事件。图10 CAN控制器电平监视原理 2 CAN布线拓扑 2.1 直线型拓扑直线型拓扑是最常用的CAN总线拓扑结构，典型结构如图11所示，即主干两条先上分出支线到各个节点，主干线两端添加端接电阻。图11 典型直线型拓扑结构 l “手牵手”式连接为了减少分支处引起的反射问题，多采用“手牵手”式连接，以尽量减少分支长度。图12 “手牵手”式分支连接 l “T”型分支式连接若无法避免引出分支，则一般使用“T”型分支连接，如图13所示，所有分支挂载在主线上。图13 “T”型分支连接需注意的是：分支长度应警两端，一般不大于0.3m。图14 ISO11898中对Stub长度的规定 2.2 星型拓扑图15 星形等长拓扑当多个设备需组成组网时，可使用星形拓扑。与直线型拓扑不同的是，星形拓扑每个节点均需要终端电阻，且终端电阻阻值为：R=n60欧姆其中： l R为每个分支的终端电阻阻值 l N为分支数量注：星形中心不得加任何电阻* 3 CAN可靠性设计提高CAN总线可靠性的方法主要有：隔离、添加地线、屏蔽、双绞、端接等。 3.1 隔离隔离的主要目的是：隔离瞬态干扰，消除较大的地电位差，减小地回流路径。当系统中存在大功率感性负载，如电机、变压器、继电器等时，大功率负载开关瞬间会产生很高的瞬态干扰，可能超过CAN PHY的共模电压容限，烧毁CAN PHY，故通过隔离，可放置瞬态干扰对CAN总线产生损坏。当CAN总线链路较长时，相距较远的两个节点之间可能存在很大的电位差，该电位差在发送器的输出上就变成了共模噪声，若这个共模噪声太大，就可能超过CAN PHY的共模电压容限，损坏CAN PHY，如图16所示。图16 两个CAN节点之间存在地电位差节点距离较远或节点之间存在较大地电位差时，不建议按照图17所示，直接通过导线将两个节点的GND共地，因为可能会引起很大的地回路电流，耦合到数据线上产生共模噪声。图17 两节点之间直接通过导线共地上述问题通过在接地通路上插入电阻可以减小回路电流，如图18，但一个大接地回路的存在就使数据链路对回路中其他地方的噪声非常敏感，故该种方式无法建立一个可靠的数据链路。图18 接地点添加大电阻当将两个节点进行隔离时，如图19所示，两个节点之间直接通过地线连接，可以抑制由接地电势差、接地环路引起的各种共模干扰，保证证总线在严重干扰和其它系统级噪声存在的情况下不间断、无差错运行。图19 两个节点隔离 3.2 添加地线当采用隔离CAN方案时，若因各个节点本身使用的相同的电源网络而未对各个节点专门进行共地处理，则在进行通信时，可能会由于回流面积过大而耦合共模干扰。故建议按照图20所示的方式，采用三线制，即CANH、CANL、GND，保证所有节点之间具有较小的回流路径。图20 CAN信号共地若不进行共地线处理，则电源线在布线时需要特别注意，可参考图21、图22中的方式，当所有节点功耗相当时，各个节点之间的电源顺序布置；当部分节点功耗较高，其他节点功耗较低时，低功耗节点可在高功耗节点导线中部取电。图21 顺序供电图22 大电流网络与小电流网络混合供电 3.3 屏蔽当链路中存在较大干扰源时，建议使用屏蔽线，如图23所示。图23 屏蔽双绞线屏蔽线的接地方法有三种： l 屏蔽层单点接地——避免地回流 l 节点信号地阻容接自身外壳 l 屏蔽层分段屏蔽——可以加快高频干扰信号泄放图24 屏蔽层单点接地图25 节点信号地阻容接自身外壳地图26 屏蔽层分段屏蔽法 3.4 双绞 CAN总线信号为差分信号，为了提高抗干扰能力，需使用差分线。CANH、CANL之间的绞距越小，差分线抗干扰的能力越强。通常双绞线只有33绞/米，而在强干扰场合，双绞程度要到45-55绞/米才能达到较好的抗干扰效果。另外线缆的芯截面积要大于0.35~0.5mm²，CAN_H对CAN_L的线间电容小于75pF/m，如果采用屏蔽双绞线，CAN_H(或CAN_L)对屏蔽层的电容小于110pF/m。可以更好地降低线缆阻抗，从而降低干扰时抖动电压的幅度。图27 双绞线对磁干扰的衰减比 3.5 端接 CAN总线信号在电缆上传输时，当阻抗不连续或者发生突变时就会发生反射，反射会引起信号恶化，严重时会出现误码。为减小反射，应保证传输链路的阻抗连续，但电缆终点处阻抗是突变的，故需在线缆两端添加匹配电阻，阻值一般选择120ohm（AWG22/23双绞线）。 3.6 防护为提高CAN总线抗浪涌、防雷等能力，一般通过添加气放管、TVS、压敏电阻等防护器件进行防护。但需注意：防护器件会增大寄生电容，对信号质量造成影响。图28 CAN总线典型防护电路 3.7 光通信当环境中电磁干扰太强时，为保证信号质量，可将CAN信号通过光纤传输。图29 使用光纤进行CAN通信 3.8 远离干扰源除通过以上方法提高CAN总线可靠性外，比较简单有效的方法还有：远离干扰源，即强弱电分开走线，尽量避免近距离平行走线。 CAN总线应尽量避免与大电流、有剧烈电流变化的设备近距离平行走线，如继电器、电磁阀、逆变器、电机驱动线等。 3.9 添加滤波器件若某个CAN节点内部存在较大干扰，从而对整个CAN网络造成影响，则可以在该节点的输出端口处添加磁环或共模电感等滤波器件，但磁环或共模电感的大小需要根据实际情况调整，以免影响正常通信。图30 CAN节点添加磁环参考： Ø ZLG致远电子——CAN总线抗干扰的六种解决方案 Ø ZLG致远电子——CAN总线节点的可靠性设计 Ø ZLG致远电子——CAN-bus电缆/插座/布线规范 Ø ZLG致远电子——CTM&RSM系列隔离收发器 Ø 瑞萨电阻——CAN入门书 Ø ISO11898-2 High-speed medium access unit Ø TI SN65HVD23x 3.3V CAN总线收发器 ` 0
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