什么是CAN？

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork，CAN）的簡(jiǎn)稱，由德國(guó)的BOSCH公司開(kāi)發(fā)，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11898），是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 

 

怎么選擇CAN芯片？

1，數(shù)據(jù)速率：指的是單位時(shí)間內(nèi)，通信線路上傳輸?shù)亩M(jìn)制位的數(shù)量。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需求，選擇合適的數(shù)據(jù)速率。高速CAN收發(fā)器的最高速率為5Mbps，CAN FD的最高速率可達(dá)8Mbps，而傳統(tǒng)的CAN最高速率僅為1Mbps。

2，電源電壓：了解收發(fā)器的電源電壓范圍，確保其與實(shí)際供電系統(tǒng)兼容。

3，共模電壓：?CAN通信協(xié)議的共模電壓?主要涉及到顯性信號(hào)和隱性信號(hào)的不同電壓要求。在CAN通信中，共模電壓是一個(gè)重要的參數(shù)，它直接影響到通信的可靠性和穩(wěn)定性。

 

CAN總線外圍電路設(shè)計(jì)

在汽車應(yīng)用中，EMC問(wèn)題是一個(gè)被廣泛關(guān)注的問(wèn)題，而與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車的EMC問(wèn)題更加突出，因此對(duì)于汽車中大量使用的總線接口芯片的EMC性能要求也比較高。為了獲得較好的EMC性能，除了芯片選型的考慮之外，系統(tǒng)中芯片外圍電路的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的。這一部分將著重介紹一下CAN芯片外圍電路的一些參考設(shè)計(jì)。

 

 

1，共模電感

共模電感的特性是對(duì)于共模信號(hào)表現(xiàn)較高的阻抗，對(duì)于差模信號(hào)表現(xiàn)較低的阻抗，所以對(duì)于共模噪聲干擾 有較強(qiáng)的抑制作用。

1)電感值的選取

對(duì)于電感值的選取我們需要從抑制總線共模噪聲方面去考慮。在CAN 總線的共模噪聲頻率處，共模電感應(yīng)具有盡可能高的電感值，表現(xiàn)為高阻抗抑制共模噪聲的傳播，電感值較小對(duì)于共模噪聲的抑制效果會(huì)不佳，而電感值較大又會(huì)有尺寸和成本方面的限制。建議對(duì)于500kbps的CAN通信可以采用51uH電感值的共模電感，對(duì)于2Mbps的CAN FD 通訊可以采用100uH電感值的共模電感。

2)直流電阻的選取

共模電感的直流電阻越大，總線信號(hào)的損耗越大，傳輸效率越低。在確定了共模電感的電感值后，應(yīng)該選取直流電阻盡可能小的共模電感。

 

2，終端分立電阻

ISO11898標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定互連線為單雙絞線(屏蔽或非屏蔽)120 Ω特性阻抗(ZO)。應(yīng)使用等于線路特性阻抗的電阻來(lái)終止電纜的兩端，以防止信號(hào)反射。連接節(jié)點(diǎn)到總線的未端接的插線(存根)應(yīng)盡可能短，以盡量減少信號(hào)反射。

終端通常是一個(gè)120 Ω電阻在總線的每一端。如果需要對(duì)母線的共模電壓進(jìn)行濾波和穩(wěn)定，則可以使用分路端接。拆分使用兩個(gè)60Ω電阻器，在這些電阻器的中間有一個(gè)對(duì)地電容。通過(guò)消除消息傳輸開(kāi)始和結(jié)束時(shí)總線共模電壓的波動(dòng)，分離終端改善了網(wǎng)絡(luò)的電磁發(fā)射行為。

 

 

（左）標(biāo)準(zhǔn)終端

（右）分離終端

3，總線電容

除了通過(guò)總線上加共模電感以及采用分立終端匹配電阻的方法來(lái)提升CAN總線的EMC性能，分別在CANH和CANL上加一個(gè)對(duì)地電容，也可以濾除總線上的一些高頻噪聲，能在一定程度上提升CAN總線的EMC性能。當(dāng)然對(duì)地電容值的選取需要綜合考慮多種因素，如果電容過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致總線信號(hào)衰減，上升和下降時(shí)間增大，縮短bit時(shí)間，影響總線正常通訊；同時(shí)對(duì)地電容容值與信號(hào)源的阻抗所組成的RC低通濾波器截止頻率應(yīng)高于CAN總線的通訊速率，保證 CAN 總線的正常通訊。所以需要綜合考慮總線長(zhǎng)度、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、數(shù)據(jù)速率等因素來(lái)選擇合適的對(duì)地電容。一般建議對(duì)于2Mbps的CAN FD通訊，總線對(duì)地電容不超過(guò)100pF。

4，ESD保護(hù)二極管

在汽車或者工業(yè)應(yīng)用中，對(duì)于一些有外部連接接口的系統(tǒng)，在安裝和維護(hù)過(guò)程中積累的過(guò)量電荷會(huì)通過(guò)接口線纜流入模塊，這些放電能量足夠高有可能高達(dá)幾十kv，那么位于接口端的接口芯片就會(huì)首當(dāng)其沖，被放電能量損壞，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法工作。所以保護(hù)接口收發(fā)器免受ESD的影響對(duì)于系統(tǒng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。對(duì)于CAN收發(fā)器，雖然芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了相關(guān)的ESD 保護(hù)電路，但是受限于芯片尺寸，一般總線端的ESD 防護(hù)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到一些環(huán)境下的ESD 沖擊。因此，需要使用外部ESD保護(hù)二極管來(lái)提升系統(tǒng)端的ESD防護(hù)能力，TVS二極管結(jié)電容較大，適合在低速CAN總線上使用；ESD靜電保護(hù)器件結(jié)電容較小，適合在高速CAN總線上使用。

 

CAN總線常見(jiàn)問(wèn)題和解決方法

 

CAN總線作為一種常用的通信協(xié)議，在汽車、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，由于各種原因，CAN總線在使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)各種故障，本文將講解CAN總線應(yīng)用過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題和解決辦法。

 

1，CAN總線節(jié)點(diǎn)硬件錯(cuò)誤問(wèn)題

CAN總線上的數(shù)據(jù)采用不歸零編碼方式，顯性和隱性同時(shí)傳送時(shí)，總線的結(jié)果值為顯性。而對(duì)于具有TXD顯性超時(shí)保護(hù)功能的CAN收發(fā)器，在TXD引腳顯性時(shí)間超過(guò)允許最大的時(shí)間tDOM后，發(fā)送器將被禁能，收發(fā)器輸出表現(xiàn)為隱性狀態(tài)，根據(jù)CAN協(xié)議（ISO 11898），除了錯(cuò)誤幀和過(guò)載幀（允許6個(gè)相等顯性位），CAN幀報(bào)文中在5個(gè)連續(xù)相等位后，發(fā)送器自動(dòng)插入一個(gè)與之互補(bǔ)的補(bǔ)碼位；接收時(shí)，這個(gè)填充位被自動(dòng)丟掉。例如，5個(gè)連續(xù)的高電平位后，CAN自動(dòng)插入一個(gè)低電平位。

由于CAN總線顯性電平的“支配地位”，在CAN總線組網(wǎng)時(shí)，若有其中一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)硬件或者軟件上的錯(cuò)誤，使控制器TXD引腳持續(xù)處于低電平，則會(huì)使總線電平持續(xù)保持在顯性狀態(tài)，總線上所有節(jié)點(diǎn)均不能正常通信，導(dǎo)致總線癱瘓。

若總線節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，確定問(wèn)題節(jié)點(diǎn)將是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，TXD顯性超時(shí)后，發(fā)送器將被禁能，收發(fā)器輸出表現(xiàn)為隱性狀態(tài)，總線將不受該節(jié)點(diǎn)影響，從而保證總線的正常通信。收發(fā)器下一個(gè)顯性輸出只有在釋放了TXD后才可以產(chǎn)生。

 

解決方法

1)推薦使用支持TXD顯性超時(shí)保護(hù)功能的CAN芯片：SIT1050T，SIT1040T，HMT1040T，HMT1050T，帶TXD顯性超時(shí)保護(hù)功能的CAN收發(fā)器可以有效防止出錯(cuò)的CAN控制器通過(guò)發(fā)送持續(xù)的顯性TXD信號(hào)將總線箝位在顯性電平，保證了總線通信的魯棒性。

 

2，低波特率通信正常，高波特率無(wú)法通信。

控制器配置低波特率通信正常而提高通信速率后無(wú)法通信的問(wèn)題，主要是由于終端電阻未匹配導(dǎo)致的。解決方法如下：

1)匹配適當(dāng)?shù)慕K端電阻；

 

3，總線電容過(guò)大導(dǎo)致的通訊異常。

CAN節(jié)點(diǎn)及CAN線束的電容會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電容，電容越大，下降邊沿越緩，導(dǎo)致接收節(jié)點(diǎn)發(fā)生位采樣錯(cuò)誤，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤幀。解決方法如下：

1)檢查CAN總線上是否有外加電容、是否有保護(hù)器件(TVS等)的寄生電容過(guò)大等問(wèn)題，適當(dāng)去除，以降低電容，建議將單個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)電容控制在 40pF~100pF范圍內(nèi)；

2)降低工作波特率，波特率降低可以延長(zhǎng)位時(shí)間，減小電容的影響，但若電容過(guò)大，則不一定有效；