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克服CAN设计挑战:如何轻松终止CAN信号

2020-10-1 13:30:00  426 CAN
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尽管控制器局域网(CAN)系统似乎是一个通用且简单的界面,但是在其设计和实现过程中确实会出现许多问题。幸运的是,许多工程师已经为您完成了艰苦的工作。本文是新的常见问题解答文章系列的第一部分,该系列文章旨在帮助您应对这种流行的接口标准的挑战。
该系列的第一部分着重于CAN系统中的信号端接。CAN总线信号严重依赖于适当的端接技术,以将信号传播到网络中的所有CAN节点。如果没有正确的端接,则诸如CAN总线之类的物理上较长的导体会遭受信号反射,从而可能限制其所有部件之间的通信
快速入门。尽管大多数涉及CAN的应用都属于车载网络,但这些问题和答案也适用于工业应用。

问题1:总线上允许有多少个CAN节点,限制因素是什么?

总线上CAN节点的最大数量在很大程度上取决于系统设计要求,但主要的限制因素通常是CAN收发器上的总线输入阻抗。以前的最大节点数是32,但是在使用更现代的CAN收发器的情况下,此数目现在更大。这是因为总线上的输入阻抗增加,并且能够限制往返总线的泄漏电流。
当总线上的节点过多时,收发器可能会吸收过多的电流或从总线上汲取过多电流。当任何单个节点向总线发送消息时,它必须吸收或提供总线上的所有泄漏电流,并在端接电阻两端驱动标准电压信号。将发生两件事之一:收发器将输出额外的电流,从而导致信号电压降低,这可能会将电压推低至可接受的通信水平以下,而在更极端的情况下,电流输出将受到限制。否则,在尝试满足过大的电流需求时,收发器将进入热关断或损坏状态。
TCAN1042之类的现代CAN收发器具有30kΩ的最小差分输入阻抗,符合国际标准化组织(ISO)11898-2的最小12kΩ和最大100kΩ规范要求。输入阻抗在理论上允许总线上有100个节点:100个具有30kΩ并联输入阻抗的收发器等效于300Ω,与60Ω总线阻抗并联则等于50Ω。由于物理总线上的信号丢失,接地偏移和寄生负载(以及其他因素),实际可能的节点数量趋于降低。

问题2:仅需要在CAN总线终端节点处端接,还是您还需要在端点之间的每个节点处放置端接电阻?
必须在CAN总线的两个终端节点处进行端接。如果两端没有120Ω终端,则CAN总线和驱动器之间的阻抗不匹配所引起的信号反射将威胁到通信的完整性。
图1显示了一个简单的CAN总线拓扑,其中端节点终止,而中间节点没有终止。如果节点不在端点,而是在端点之间,则不需要端接,但是如果这些节点创建的存根可能影响信号完整性,则将有帮助。以前版本的ISO 11898定义了汽车CAN总线中的最大存根长度为1 Mbps时为0.3 m。此经验法则的长度很有用,但这并不意味着即使您处于这些范围内,也不会看到存根的影响。


图1.该 图显示了端节点终止的简化的CAN总线拓扑。
如果存在信号完整性问题,则在这些分支节点处添加端接有助于衰减由短截线的阻抗不匹配引起的一些信号反射。此终端需要比标准120Ω高的电阻,以免降低有效总线阻抗。如果总线阻抗不满足CAN收发器的要求,则CAN驱动器将无法驱动正确的电压电平。这些终端电阻的典型值在1kΩ至2kΩ的范围内。

问题3:是否需要共模扼流圈才能使CAN收发器正常工作?为什么要使用共模扼流圈?
CAN收发器无需将共模扼流圈从控制器转换为CAN总线的信号。尽管大多数汽车CAN应用程序(例如高级驾驶员辅助系统(ADAS),网关和信息娱乐系统)在其印刷电路板(PCB)上都装有共模扼流圈,但正确安装并不需要在PCB上安装一个CAN收发器功能。但是,共模扼流圈确实有助于CAN收发器的电磁辐射,同时还提高了收发器对来自CAN总线的高频噪声的电磁抗扰性。
对于差分信号,存在差分和共模噪声的成分,这些成分构成了CAN收发器的总体电磁辐射曲线。差分信号的大小相等且相反,因此,这些信号发出的噪声也相等且相反。结果,差分噪声在大多数情况下会自行抵消。
处理噪声的共模部分并不容易。这就是共模扼流圈的来源。共模扼流圈就像一个滤波器电感一样,可以滤除与电流变化有关的高频噪声,它会在一个方向上产生一个与共模噪声相对的磁场:该噪声来自CAN收发器的辐射,或者来自CAN总线的噪声从外部进入CAN收发器。
因此,虽然共模扼流圈不是CAN收发器功能的要求,但在对电磁噪声敏感和敏感的问题上,它可以提供帮助。这些嘈杂的环境可以在车辆的任何部分,但通常存在于汽车网关中,在该网关中,多个通信接口及其总线连接到一个系统中。

问题4:CAN收发器上的SPLIT引脚的功能是什么?
SPLIT引脚的功能是向CAN总线驱动更强的隐性电压电平,从而最大程度地降低了共模发射噪声的可能性,从而降低了这种可能性。该引脚以分离端接方案连接在两个60电阻之间。由于在较旧的设计过程中总线的CAN对称性不是最佳的,因此共模信号存在更多偏差。较早的CAN收发器具有SPLIT引脚以帮助解决这种偏差,从而减轻电磁辐射。
尽管可能不需要SPLIT引脚,但使用分接端接来帮助消除电磁干扰仍然是有益的。分流终端可为CANH和CANL线路创建一个低通滤波器,从而减轻了收发器向总线发射的大部分高频噪声。图2说明了标准端接与拆分端接方案。CSPLIT的典型值范围为4.7 nF至100 nF。


图2.  CAN收发器中标准与分离端接方案的比较图。
ti的TCAN4550,TCAN1042-Q1和TCAN1043-Q1等较新的CAN收发器不需要SPLIT引脚即可正常工作。TI采用现代工艺设计了这些设备,以帮助提高CANH和CANL信号的对称性。结果,差分信号几乎没有偏差,这有助于降低共模发射。

要成功进行通信,必须正确终止CAN总线
目标是帮助提高电磁发射性能,通过阻抗匹配减少或消除信号反射,还是确定CAN系统的节点大小和数量,正确终止CAN总线对于成功的通信方案至关重要。对这些问题的答案应该有助于您踏上这条道路。
本系列的第二部分将探讨如何测量多种类型的CAN收发器的CAN功耗,以及为什么以及如何在CAN系统中使用3.3V电源轨。
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