CAN通信邊沿緩慢導致通信錯誤原因分析與優(yōu)化

在CAN通信系統的故障排查過(guò)程中，常常遇到因邊沿緩慢而導致的通信錯誤。

邊沿緩慢主要影響CAN網(wǎng)絡(luò )數據傳輸的準確性，進(jìn)而導致網(wǎng)絡(luò )中的錯誤幀增多。

以下通過(guò)一個(gè)實(shí)際案例對邊沿緩慢現象的成因進(jìn)行分析，并提供有效的排查與優(yōu)化建議。

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現場(chǎng)測試數據分析

圖 1展示了通過(guò)ZPS-CANFD采集的現場(chǎng)CAN網(wǎng)絡(luò )報文和波形數據。

從報文數據可以看出，所有的幀均為錯誤幀，說(shuō)明CAN網(wǎng)絡(luò )出現了通信錯誤。

結合波形數據觀(guān)察，發(fā)現CAN差分信號的波形邊沿十分緩慢，呈現出類(lèi)似鐮刀形狀。

這種緩慢的邊沿形態(tài)，會(huì )影響CAN通信中顯隱性電平的識別，進(jìn)而導致通信錯誤的發(fā)生。

圖1：差分波形邊沿緩慢現象

通過(guò)對該波形的分析，發(fā)現邊沿的上升和下降時(shí)間都較長(cháng)，且波形中不再呈現理想的快速上升和下降。

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邊沿時(shí)間測量

通過(guò)ZPS的【總線(xiàn)邊沿測量】功能，測量了該CAN差分波形的上升和下降時(shí)間。

結果顯示：

• 上升時(shí)間約為300ns

• 下降時(shí)間約為600ns

圖2：差分波形邊沿時(shí)間測量結果

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原因排查

邊沿緩慢的現象，通常與CAN總線(xiàn)差分電平的充放電過(guò)程密切相關(guān)。

我們知道，當CAN總線(xiàn)電平從低變高（上升沿）時(shí)，收發(fā)器的Q1、Q2導通，電容開(kāi)始充電；當電平從高變低（下降沿）時(shí)，Q1、Q2斷開(kāi)，電容通過(guò)終端電阻放電。

由于電容的充放電需要一定的時(shí)間，電容值越大，充放電所需時(shí)間（即時(shí)間常數τ）越長(cháng)，導致波形的上升和下降時(shí)間增加。

根據電容充放電的時(shí)間常數公式：

當電阻值（R）固定時(shí)，電容（C）越大，時(shí)間常數τ值就越大，進(jìn)而導致邊沿緩慢的現象。

通過(guò)對現場(chǎng)CAN網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)電路的檢查，發(fā)現收發(fā)器外圍電路中存在TVS管、氣體放電管等保護器件。

這些器件的結電容會(huì )影響總線(xiàn)的信號傳輸，尤其是當選用結電容較大的TVS管時(shí)（如電容值在幾百到上千皮法范圍內），會(huì )導致總線(xiàn)的電容增加，進(jìn)而在高速通信時(shí)產(chǎn)生邊沿緩慢的波形。

圖3：CAN總線(xiàn)充放電示意圖

圖4：CAN節點(diǎn)電路

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優(yōu)化措施與效果

針對上述問(wèn)題，優(yōu)化措施是將CAN節點(diǎn)收發(fā)器外圍電路中的TVS管去除。

去除TVS管后，再次進(jìn)行現場(chǎng)數據采集，觀(guān)察到波形和邊沿時(shí)間有了顯著(zhù)改善。

具體表現為：

• CAN差分信號的上升時(shí)間從原來(lái)的300ns減少到30ns左右

• CAN差分信號的下降時(shí)間從原來(lái)的600ns減少到40ns左右

圖5：優(yōu)化后的CAN差分波形

圖6：優(yōu)化后CAN差分波形邊沿時(shí)間測量結果

通過(guò)去除結電容較大的保護器件，CAN網(wǎng)絡(luò )的邊沿緩慢現象得到了有效的改善，通信穩定性也得到了顯著(zhù)提升。

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CAN網(wǎng)絡(luò )邊沿緩慢原因排查建議

當CAN網(wǎng)絡(luò )出現邊沿過(guò)于緩慢的現象時(shí)，可以從以下幾個(gè)方向進(jìn)行排查和優(yōu)化：

• 檢查CAN節點(diǎn)電路中的保護器件：確認是否存在等效電容較大的保護器件（如TVS管、氣體放電管等）。選用結電容較小的保護器件，以減少對總線(xiàn)信號的影響。

• 檢查節點(diǎn)電路中的電容：檢查CAN節點(diǎn)電路是否存在過(guò)大的對地電容（如CAN對地電容、CANL對地、CANH對CANL的電容）。過(guò)大的電容會(huì )顯著(zhù)降低信號的邊沿速度，影響通信的正常進(jìn)行。

• 檢查通信線(xiàn)纜的寄生電容：確保通信線(xiàn)纜的選擇合理，避免選用寄生電容過(guò)大的線(xiàn)纜。電纜的長(cháng)度和類(lèi)型也會(huì )影響信號的傳輸質(zhì)量。

• 優(yōu)化總線(xiàn)布局：在設計CAN總線(xiàn)時(shí)，盡量避免長(cháng)距離的連接，保持合理的總線(xiàn)長(cháng)度和節點(diǎn)間距，以減少寄生電容的影響。

通過(guò)上述排查和優(yōu)化措施，可以有效避免因邊沿緩慢引起的CAN通信錯誤，確保系統的穩定性和可靠性。