如何測量CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )阻抗

　　在CAN應用中，有時(shí)會(huì )出現我們料想不到的問(wèn)題，此時(shí)，為了準確的排查問(wèn)題，我們需要通過(guò)測量CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )阻抗來(lái)確定是否滿(mǎn)足CAN規范。本文將闡述測量CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )阻抗的原理以及具體方法。

　　一、什么是阻抗?

　　阻抗是指電路中的電子器件對通過(guò)它的特定頻率的交流電流的阻礙作用。在數學(xué)上用矢量平面上的復數表示，即Z=R+jX，如圖1所示，Z表示阻抗，實(shí)部R稱(chēng)為電阻，虛部X稱(chēng)為電抗。而電抗為容抗和感抗的總稱(chēng)，電容在電路中對交流電所起的阻礙作用稱(chēng)為容抗，電感在電路中對交流電所起的阻礙作用稱(chēng)為感抗。阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量坐標上的矢量和。

　　圖1 阻抗三角形

　　CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )阻抗是指總線(xiàn)間的阻抗。在用直流測量阻抗方法時(shí)，測量的是CAN通信網(wǎng)絡(luò )或被測CAN節點(diǎn)的等效電阻;在用交流測量阻抗方法時(shí)，測量的是總線(xiàn)間的阻抗，包括電阻和電抗。

　　在交流電的領(lǐng)域中，雖然電阻會(huì )阻礙電流，但電阻阻值大小不隨頻率產(chǎn)生變化，而容抗和感抗的阻抗值大小是和交流電的頻率有關(guān)的，頻率越高，則容抗越小，感抗越大;頻率越低，則容抗越大，感抗越小，根據容抗和感抗的計算公式可以看出，即：Z_C=1/jωC;Z_L=jωL，其中ω=2πf 。 對于CAN總線(xiàn)間的電抗，我們希望并聯(lián)容抗越大越好，串聯(lián)感抗越小越好，因為當信號線(xiàn)路寄生電容和寄生電感存在時(shí)，會(huì )導致信號的上升/下降沿跳變時(shí)間變長(cháng)，同時(shí)也會(huì )導致信號幅值變小從而可能導致CAN信號通信過(guò)程中顯隱性誤判。

　　二、測量方法

　　阻抗測量有多種可選擇的方法，每種方法都有優(yōu)缺點(diǎn)，為了達到最佳的測量效果需要考慮測量過(guò)程中的頻率覆蓋范圍、測量量程、測量精度和操作的方便性。而在這里，我們選擇普遍使用的電流-電壓直接測量法作為例子。根據阻抗測量的激勵源的不同，我們將電抗測量分為直流阻抗測量和交流阻抗測量。直流阻抗測量測的是CAN通信網(wǎng)絡(luò )或CAN節點(diǎn)的等效電阻，而交流阻抗測量的是CAN通信網(wǎng)絡(luò )或CAN節點(diǎn)的等效電阻、容抗或感抗。

　　三、測量原理

　　1、直流阻抗測量原理

　　單獨測量CAN總線(xiàn)之間的終端電阻大小可使用直流阻抗測量原理，即，給DUT一個(gè)直流電壓源Us和電阻R，與被測電阻Rtest形成回路，用萬(wàn)用表測量出電阻R兩端的電壓UR，然后根據歐姆定律可求出被測電阻Rtest。原理圖如圖2所示：　

　　圖2 直流測量阻抗

　　被測電阻Rtest的計算公式如公式( 1 )：

　　2、交流阻抗測量原理

　　測量CAN通信網(wǎng)絡(luò )或CAN節點(diǎn)交流阻抗的原理，是給予被測對象一個(gè)交流激勵源UAC，與被測對象RP、CP形成回路。CANScope-StressZ里的阻抗測量功能用到的就是這個(gè)方法，具體操作是：連接好設備后，打開(kāi)上位機軟件，選擇阻抗測量，點(diǎn)擊開(kāi)始即可自動(dòng)完成測試并生成測試結果，如圖3所示。

　　圖3 CANScope阻抗測量界面

　　CANScope-StressZ內部設計的等效阻抗模型是RP‖CP并聯(lián)模型，原理圖如圖4所示。

　　圖4 交流測量阻抗RP‖CP并聯(lián)模型

　　該模型計算方法如下：

　　將公式( 2 )整理可得公式(3)、公式(4)：

　　公式( 3 )和公式( 4 )相除可得已知相位角的正切值：如下公式(5)：

　　公式( 3 )和公式( 4 )可得已知幅值：如下公式(6)：

　　公式( 5 )和公式( 6 )整理可得公式(7)、公式(8)：

　　四、測量意義

　　1、直流阻抗測量意義

　　直流阻抗測量是為了分析CAN通信網(wǎng)絡(luò )或CAN節點(diǎn)的等效電阻，CAN節點(diǎn)間通信要求CANH和CANL之間的電阻為60Ω，才可使通信信號正常。CAN通信不正常、沒(méi)有報文、報文出錯、出現振鈴情況下應首先排查CAN總線(xiàn)間的直流阻抗是否符合要求。

　　2、交流阻抗測量意義

　　交流阻抗測量是為了分析CAN通信網(wǎng)絡(luò )或CAN節點(diǎn)的等效電阻、容抗和感抗對CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信的影響，因此需要求出CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的寄生電容和寄生電感的大小，然后和測試標準進(jìn)行比較，若得出的等效電阻、寄生電容和寄生電感在測試標準允許范圍內，就認為寄生電容和寄生電感不會(huì )對CAN總線(xiàn)的正常通信造成影響。

　　由于在實(shí)際應用中，CAN總線(xiàn)上可以?huà)於鄠€(gè)節點(diǎn)、CAN節點(diǎn)之間的通信電纜可能比較長(cháng)，此時(shí)通信線(xiàn)纜上存在的寄生電感、寄生電容對通信信號的影響就不能忽略了，線(xiàn)纜上的感抗、容抗都會(huì )使信號幅度衰減、邊沿變緩，甚至產(chǎn)生過(guò)沖以致CAN網(wǎng)絡(luò )終端無(wú)法正確識別通信信號;而當通信線(xiàn)纜較短時(shí)，寄生電容和寄生電感對網(wǎng)絡(luò )的影響基本上可以不用考慮，因此在配置CAN網(wǎng)絡(luò )之前應保證線(xiàn)材的電阻率足夠小，線(xiàn)與線(xiàn)之間的阻抗足夠大。

　　總結：

　　在調試CAN網(wǎng)絡(luò )過(guò)程中遇到通信異常的情況，通常應首先檢查下異常是否由CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的等效電阻、寄生電容和寄生電感引起的。使用交流測量阻抗的方法，有利于準確定位問(wèn)題，從而讓排除CAN通信故障變得更加輕松。