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为什么CAN总线支线长度不能太长?

2019-06-10 14:39
ZLG致远电子
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CAN总线网络在应用时,工程师常常会建议总线支线不要太长,那么为什么CAN总线支线不能太长,如果某些环境下必须使用长支线又该怎么办呢?

CAN网络的拓扑种类

控制器局域网CAN(Controller Area Network),是国际上应用最广泛的现场总线之一,最初是由德国Bosch公司设计的,为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发一种串行通信协议。CAN网络的拓扑结构主要有线形拓扑、星形拓扑、树形拓扑和环形拓扑等。

线形结构如下图所示,其特点是一条主干总线,在总线上分出支线到各个节点,其优点在于布线施工简单,阻抗匹配规则固定,接线比较方便,缺点是拓扑不够灵活,在一定程度上影响通讯距离;

星形拓扑如下图所示,其特点是每个节点通过中央设备连到一起,优点是容易扩展,缺点是一旦中央设备出故障会导致总线集体故障,而且分支线长不同,阻抗匹配复杂,可能需要通过一些中继器或集线器进行扩展;

树形拓扑如下图所示,其特点是分支比较多,且分支长度不同,优点是布线方便,缺点是网络拓扑复杂,阻抗匹配困难,通讯中极易出现问题,必须加一些集线器设备;

环形拓扑如下图所示,其特点是将CAN总线头尾相连,形成环状,优势是线缆任意位置断开,总线都不会出现问题,缺点是信号反射严重,无法用于高波特率和远距离传输。

虽然CAN总线可以有多种网络拓扑,但在实际应用当中比较推荐使用线形拓扑,且在IOS-11898-2中有高速CAN物理层规范,其中推荐的CAN网络拓扑也是线形拓扑,下面就针对线形拓扑网络CAN支线过长问题进行分析。

支线过长带来的问题

在讲CAN支线之前,我们来看一个CAN的波形图,如下图所示,大家仔细查看CAN波形图,会发现CAN波形上存在明显的上升沿和下降沿台阶现象,因为台阶的存在,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)。

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,支线过长会直接导致总线阻抗匹配问题发生,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,所以一旦阻抗匹配出现问题,就出现了上图中的上升沿和下降沿的台阶。

解决支线过长的办法

如果我们的总线存在支线过长的问题,那么该怎么办呢?我们下面提供几种解决方案:

1、减小分支长度

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。如上图波形实验中,其它条件不变,只将分支长度减少为20cm,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、增加CAN中继器或集线器

当然很多场合是在出现了问题之后才发现支线过长,当重新布线或更改节点本身都无法操作的情况下,我们也有解决方案,那就是在过长的支线上增加CAN中继器,典型的如致远电子CANBridge,甚至可以支持不同波特率的CAN网络的连接。

更多的方法可以参考往期推送的微信文章《【CAN总线冷知识】边沿台阶是怎么来的?》。

所以无论是标准规定,还是现场实际应用,都告诉我们要保证CAN总线网络良好运行,其支线长度不能过长,为了CAN保证CAN网络的健康,请大家一定要规范使用。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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