CAN信号不稳定？“罪魁祸首”边沿台阶不可忽视

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你了解CAN总线波形吗？你知道是什么因素造成CAN信号不稳定的吗？本文将带你探究影响CAN波形稳定的罪魁祸首——边沿台阶。

阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间达到一种适合的搭配，阻抗匹配主要为了调整负载功率和抑制信号反射；然而，阻抗不匹配的现象在CAN总线网络中随处可见；如图1所示，阻抗不匹配的将造成7个现象，其中最受关注的为上升沿和下降沿的台阶；下文将针对边沿台阶的现象做详细介绍。

图1 阻抗不匹配波形

解释边沿台阶是怎么出现的，如何消除，对总线有何影响；

一、边沿台阶的源头

在CAN总线的网络布局中，手牵手直线型拓扑是最理想最常规的布局；但是在实际现场中，经常会出现分支的现象。这里重点提一下，在计算CAN总线长度的时候，分支（从收发器端至总线）长度也要加上。为此我们做了分支过长的实验，实验中CAN总线中有三个CAN节点，主干线长度为15米，其中一个节点的分支长度为1米，波特率为250k的情况下进行通信。下图为实验的CAN波形图，明显可以看到上升沿和下降沿存在台阶现象，从而引起波特率变化，导致接收节点采样出错（也称位宽错误）。

所以，边沿台阶出现的源头主要是CAN节点的分支，分支过长形成的反射就变强，将会导致位宽度失调的错误。ISO11898中只规定1M波特率下分支不超过0.3米，但是在其它情况下并没有做声明，这个便取决于现场工程师们的经验。

二、消除边沿台阶

边沿台阶是造成错误波形的罪魁祸首，那么该如何消除边沿台阶的现象呢？下文将从源头以及补救措施上分别介绍一些可靠有效的方法。

1. 减少分支长度
在CAN网络布局的根源上解决问题的方式就是减少CAN节点的分支长度，从而降低信号反射，保证位宽的稳定性。在上述实验中，其它条件不变，只将分支长度减少为20cm；下图为CAN波形图，此时并没有看到边沿台阶的出现。由此可见，减少分支长度是消除边沿台阶的最直接方式。

2. 长分支上加适当电阻
在网络布局无法改变，分支引起的信号反射必须存在的情况下。最实用的方法就是在长分支末端加上电阻，消除信号反射。同样的在上述实验中，在分支节点处加上一个200Ω的电阻，其它条件不变进行通信实验。下图为实验的CAN波形图，此时可以看到边沿台阶已被消减，但是加了电阻之后差分电压变小，注意差分电压不得小于0.9V。这里值得一提的是：阻值大于500Ω的电阻吸收反射的能力很弱，所以在末端挂电阻的时候应小于500Ω。

3. 缩短残端
前面提到分支长度指的是从节点收发器至总线处的距离，在节点设计之初，应选择TTL远传方式，因为TTL电平不受CAN电容影响，所以收发器应靠近接口摆放，以减少分支残段的长度，建议控制在10cm以内，可以保证阻抗连续。

TTL远传最直接的方式就是将CAN收发器紧挨着CAN主干线放置，这样就没有分支长度。光缆星型拓扑结构便是使用这种方式，如下图；CAN光纤收发器内置在盒子里面，使用TTL电平远传到另一个CAN光纤收发器，解决了节点随意变化问题（节点任意上下电或插拔）。

4. 消除负载集中
在布局较复杂的CAN网络中，为了避免节点摆放集中导致反射叠加，建议相邻节点的距离不得小于2cm，10m的电缆上所集中的设备最好不要超过4个，否则应加电容以吸收，并且此集中与下一个集中至少有10m的电缆距离。

同样，在复杂网络布局中，分支过长且不等的网络，由于阻抗匹配困难，常使用集线器或中继器进行分支；集线器和中继器有独立的控制器和MCU，将每段形成独立的直线拓扑，如下图。

5. 屏蔽层分段接地
屏蔽层多点接地需要注意接地点电位，避免地回流影响信号质量。若屏蔽层太长可以采用分段屏蔽，单点接地方法，如下图，就可以有效避免地回流的问题。

三、边沿一致性测试

信号边沿是反映信号质量好坏的重要指标。若信号下降边沿变缓造成CAN信号波形一定程度的失真，导致收发器采样出错。参考主流车企的边沿测试，一般把边沿10%到90%所经历的时间作为边沿时间，仿真了DUT接入CAN网络时可能会受到的容抗影响，以使测量结果更具有实际意义。分别在CANDT仿真的小电容、大电容负载的环境，对DUT的边沿进行测量。

● 测试目的：分别在小电容和大电容负载下测量CANH、CANL及CANDIFF信号位上升或下降时间；
● 测试原理：测试原理如下图，DUT往总线正常传输数据时，传输的数据帧是显性位和隐性位的序列，即传的数据中包含了上升、下降时间信息；

h1654155956.5608 · 2019-10-26 18:28:21

有实践经验的理论，讲得挺好的。

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