CAN總線(xiàn)冷知識-邊沿臺階是怎么來(lái)的？

你了解CAN總線(xiàn)波形嗎？你知道是什么因素造成CAN信號不穩定的嗎？本文將帶你探究影響CAN波形穩定的罪魁禍首——邊沿臺階。

阻抗匹配是指信號源或者傳輸線(xiàn)跟負載之間達到一種適合的搭配，阻抗匹配主要為了調整負載功率和抑制信號反射；然而，阻抗不匹配的現象在CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中隨處可見(jiàn)；如圖1所示，阻抗不匹配的將造成7個(gè)現象，其中最受關(guān)注的為上升沿和下降沿的臺階；下文將針對邊沿臺階的現象做詳細介紹。

圖1  阻抗不匹配波形

解釋邊沿臺階是怎么出現的，如何消除，對總線(xiàn)有何影響；

一、邊沿臺階的源頭

在CAN總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )布局中，手牽手直線(xiàn)型拓撲是最理想最常規的布局；但是在實(shí)際現場(chǎng)中，經(jīng)常會(huì )出現分支的現象。這里重點(diǎn)提一下，在計算CAN總線(xiàn)長(cháng)度的時(shí)候，分支（從收發(fā)器端至總線(xiàn)）長(cháng)度也要加上。為此我們做了分支過(guò)長(cháng)的實(shí)驗，實(shí)驗中CAN總線(xiàn)中有三個(gè)CAN節點(diǎn)，主干線(xiàn)長(cháng)度為15米，其中一個(gè)節點(diǎn)的分支長(cháng)度為1米，波特率為250k的情況下進(jìn)行通信。下圖為實(shí)驗的CAN波形圖，明顯可以看到上升沿和下降沿存在臺階現象，從而引起波特率變化，導致接收節點(diǎn)采樣出錯（也稱(chēng)位寬錯誤）。

所以，邊沿臺階出現的源頭主要是CAN節點(diǎn)的分支，分支過(guò)長(cháng)形成的反射就變強，將會(huì )導致位寬度失調的錯誤。ISO11898中只規定1M波特率下分支不超過(guò)0.3米，但是在其它情況下并沒(méi)有做聲明，這個(gè)便取決于現場(chǎng)工程師們的經(jīng)驗。

二、消除邊沿臺階

邊沿臺階是造成錯誤波形的罪魁禍首，那么該如何消除邊沿臺階的現象呢？下文將從源頭以及補救措施上分別介紹一些可靠有效的方法。

1.減少分支長(cháng)度

在CAN網(wǎng)絡(luò )布局的根源上解決問(wèn)題的方式就是減少CAN節點(diǎn)的分支長(cháng)度，從而降低信號反射，保證位寬的穩定性。在上述實(shí)驗中，其它條件不變，只將分支長(cháng)度減少為20cm；下圖為CAN波形圖，此時(shí)并沒(méi)有看到邊沿臺階的出現。由此可見(jiàn)，減少分支長(cháng)度是消除邊沿臺階的最直接方式。

2.長(cháng)分支上加適當電阻

在網(wǎng)絡(luò )布局無(wú)法改變，分支引起的信號反射必須存在的情況下。最實(shí)用的方法就是在長(cháng)分支末端加上電阻，消除信號反射。同樣的在上述實(shí)驗中，在分支節點(diǎn)處加上一個(gè)200Ω的電阻，其它條件不變進(jìn)行通信實(shí)驗。下圖為實(shí)驗的CAN波形圖，此時(shí)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(shí)候應小于500Ω。

3.縮短殘端

前面提到分支長(cháng)度指的是從節點(diǎn)收發(fā)器至總線(xiàn)處的距離，在節點(diǎn)設計之初，應選擇TTL遠傳方式，因為T(mén)TL電平不受CAN電容影響，所以收發(fā)器應靠近接口擺放，以減少分支殘段的長(cháng)度，建議控制在10cm以?xún)?，可以保證阻抗連續。

TTL遠傳最直接的方式就是將CAN收發(fā)器緊挨著(zhù)CAN主干線(xiàn)放置，這樣就沒(méi)有分支長(cháng)度。光纜星型拓撲結構便是使用這種方式，如下圖；CAN光纖收發(fā)器內置在盒子里面，使用TTL電平遠傳到另一個(gè)CAN光纖收發(fā)器，解決了節點(diǎn)隨意變化問(wèn)題（節點(diǎn)任意上下電或插拔）。

4.消除負載集中

在布局較復雜的CAN網(wǎng)絡(luò )中，為了避免節點(diǎn)擺放集中導致反射疊加，建議相鄰節點(diǎn)的距離不得小于2cm，10m的電纜上所集中的設備最好不要超過(guò)4個(gè)，否則應加電容以吸收，并且此集中與下一個(gè)集中至少有10m的電纜距離。

同樣，在復雜網(wǎng)絡(luò )布局中，分支過(guò)長(cháng)且不等的網(wǎng)絡(luò )，由于阻抗匹配困難，常使用集線(xiàn)器或中繼器進(jìn)行分支；集線(xiàn)器和中繼器有獨立的控制器和MCU，將每段形成獨立的直線(xiàn)拓撲，如下圖。

5.屏蔽層分段接地

屏蔽層多點(diǎn)接地需要注意接地點(diǎn)電位，避免地回流影響信號質(zhì)量。若屏蔽層太長(cháng)可以采用分段屏蔽，單點(diǎn)接地方法，如下圖，就可以有效避免地回流的問(wèn)題。

三、邊沿一致性測試

信號邊沿是反映信號質(zhì)量好壞的重要指標。若信號下降邊沿變緩造成CAN信號波形一定程度的失真，導致收發(fā)器采樣出錯。參考主流車(chē)企的邊沿測試，一般把邊沿10%到90%所經(jīng)歷的時(shí)間作為邊沿時(shí)間，仿真了DUT接入CAN網(wǎng)絡(luò )時(shí)可能會(huì )受到的容抗影響，以使測量結果更具有實(shí)際意義。分別在CANDT仿真的小電容、大電容負載的環(huán)境，對DUT的邊沿進(jìn)行測量。

l測試目的：分別在小電容和大電容負載下測量CANH、CANL及CANDIFF信號位上升或下降時(shí)間；

l測試原理：測試原理如下圖，DUT往總線(xiàn)正常傳輸數據時(shí)，傳輸的數據幀是顯性位和隱性位的序列，即傳的數據中包含了上升、下降時(shí)間信息；

四、CANDT

ZLG致遠電子發(fā)布的CANDT一致性測試系統可自動(dòng)化完成CAN節點(diǎn)物理層、鏈路層及應用層一致性測試，是當前CAN總線(xiàn)測試領(lǐng)域唯一能夠進(jìn)行完善的物理層自動(dòng)化測試并導出報表的儀器設備。避免了人工測量統計的誤差，同時(shí)配合自動(dòng)化測試的方式，減少了測試時(shí)間的浪費，提高了測試的準確度，極大節約了人工成本。

CANDT一致性測試系統基于CANScope底層分析能力，集成示波器、電源等必要設備，可覆蓋主機廠(chǎng)CAN一致性測試標準，為主機廠(chǎng)及零部件企業(yè)建立CAN總線(xiàn)測試及保障體系。