CAN通信節(jié)點(diǎn)多時(shí)，如何減少寄生電容和保障節(jié)點(diǎn)數(shù)量？

導(dǎo)讀

在汽車電子與工業(yè)控制等領(lǐng)域，CAN通信至關(guān)重要。本文圍繞CAN通信，闡述節(jié)點(diǎn)增多時(shí)如何減少寄生電容的策略，同時(shí)從發(fā)送、接收節(jié)點(diǎn)等方面，講解保障節(jié)點(diǎn)數(shù)量及通信可靠性的方法。

?如何減少寄生電容?

增加節(jié)點(diǎn)就會(huì)帶來(lái)寄生電容的增加，節(jié)點(diǎn)增加到一定數(shù)量，波形嚴(yán)重失真，導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收錯(cuò)誤。硬件設(shè)計(jì)CAN電路時(shí)，需要總線抗受電磁兼容同時(shí)需要寄生電容小，直接給總線并聯(lián)TVS瞬態(tài)抑制二極管，這些就可以？答案肯定是不行的，因?yàn)門VS瞬態(tài)抑制二極管的結(jié)電容高達(dá)1000pF以上，完全可以使波形變形。既要使用TVS瞬態(tài)抑制二極管，又不能使結(jié)電容很大，怎么解決？我們知道電阻并聯(lián)阻值減少，電容并聯(lián)容值增大。那么根據(jù)電容串聯(lián)容值減少這一思路進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，參考設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 CAN電路設(shè)計(jì)1

如圖1所示的CAN電路設(shè)計(jì)，二極管和TVS瞬態(tài)抑制二極管都是串聯(lián)的關(guān)系，利用的是二極管單向?qū)щ娦院托〗Y(jié)電容特性。如果覺(jué)得分立元器件太多，可以參考如圖2所示的電路設(shè)計(jì)，同等效果。

圖2 CAN電路設(shè)計(jì)2

?如何保障節(jié)點(diǎn)數(shù)量？

在CAN-bus電路設(shè)計(jì)中，理論上收發(fā)器支持節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可做到110個(gè)，但實(shí)際應(yīng)用中往往達(dá)不到這個(gè)數(shù)量。今天我們就來(lái)談?wù)勅绾瓮ㄟ^(guò)合理的CAN-bus總線設(shè)計(jì)，保證CAN網(wǎng)絡(luò)中的通訊的可靠性和節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

影響總線節(jié)點(diǎn)數(shù)的因素有多種，我們從滿足接收節(jié)點(diǎn)的差分電壓幅值方面來(lái)討論，只有滿足了這個(gè)前提條件，我們才能考慮總線的其他因素如寄生電容、寄生電感對(duì)信號(hào)的影響。

1. 發(fā)送節(jié)點(diǎn)的CAN接口負(fù)載，為何考慮CAN接口負(fù)載？

CAN接口負(fù)載即為CANH、CANL之間的有效電阻值大小，該電阻會(huì)影響發(fā)送節(jié)點(diǎn)輸出的差分電壓的幅值，組網(wǎng)后網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載電阻RL接近，如圖3所示結(jié)果是我們測(cè)試了CTM1051M小體積CAN隔離模塊在不同負(fù)載下的輸出差分電壓幅值。

圖3 不同負(fù)載下的差分電壓

在負(fù)載電阻由45Ω不斷增大到66Ω時(shí)，節(jié)點(diǎn)的輸出差分電壓也隨著由1.84V增大到2.16V，兩者近似線性關(guān)系。為了使發(fā)送節(jié)點(diǎn)的輸出差分電壓不至于過(guò)低，實(shí)際組網(wǎng)時(shí)負(fù)載電阻應(yīng)在圖3的范圍內(nèi)波動(dòng)。我們分析RL的組成有3個(gè)：終端電阻、總線節(jié)點(diǎn)的差分輸入電阻、總線本身的有效電阻。

終端電阻：總線兩端均需要增加終端電阻，當(dāng)總線距離長(zhǎng)時(shí)，總線有效電阻大，損耗大，可以適當(dāng)增加終端電阻值以減小總線有效電阻的損耗，如150Ω~300Ω。

差分輸入電阻：ISO 11898中規(guī)定的收發(fā)器差分輸入電阻范圍為10kΩ~100kΩ之間，CTM1051M系列收發(fā)器的差分輸入電阻為19kΩ~52kΩ，其典型值為30 kΩ，如果我們以最多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，按典型值考慮，則整個(gè)總線的差分輸入電阻會(huì)達(dá)到30 kΩ/110=273Ω，與終端電阻并聯(lián)時(shí)會(huì)顯著增加節(jié)點(diǎn)的負(fù)載。

總線有效電阻：使用較小截面積的雙絞線，其有效電阻達(dá)到幾十歐姆，長(zhǎng)距離通信，總線對(duì)差分信號(hào)的影響會(huì)很大，如常用的RVS非屏蔽雙絞線的電阻從8.0Ω/km到39.0Ω/km不等。嚴(yán)重時(shí)會(huì)使接收點(diǎn)的電平達(dá)不到識(shí)別范圍。

差分電壓除負(fù)載電阻的影響外，還會(huì)受到供電電壓的影響，圖4是我們測(cè)試了CTM1051M模塊在不同電壓，不同負(fù)載下的差分電壓幅值得到的曲線?？梢钥吹?a target="_blank">電源電壓升高0.5V，差分電壓幅值會(huì)升高約0.3V。

圖4 不同供電電壓下的差分電壓

2. 接收節(jié)點(diǎn)的識(shí)別電平

接收節(jié)點(diǎn)有一定的電平識(shí)別范圍，CTM1051M的CAN接口典型參數(shù)如圖5所示。

圖5 CAN接口典型參數(shù)節(jié)點(diǎn)輸入顯性電平應(yīng)大于0.9V。ISO 11898中，總線上的任意點(diǎn)的最小電平應(yīng)大于1.2V，組網(wǎng)時(shí)我們應(yīng)使差分電壓大于此值。

3. 實(shí)際組網(wǎng)分析

目前收發(fā)器的最大組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為110個(gè)，組網(wǎng)時(shí)我們考慮以上的電阻參數(shù)，確?？偩€上的差分電壓在合理的范圍內(nèi)即可。圖6所示為CTM1051M推薦的組網(wǎng)拓?fù)洌覀円紤]總線電阻，終端電阻，發(fā)送點(diǎn)，接收點(diǎn)電壓參數(shù)。

圖6 CTM1051M推薦的組網(wǎng)拓?fù)?/span>

其等效電路如圖7所示。

圖7 CTM1051M組網(wǎng)等效電路

根據(jù)等效電路，我們可以調(diào)整的參數(shù)有終端電阻RT、發(fā)送節(jié)點(diǎn)電壓VOUT、總線有效電阻RW。圖7中，各節(jié)點(diǎn)的RW、RIN難以準(zhǔn)確確定，組網(wǎng)時(shí)以公式計(jì)算較為繁瑣，簡(jiǎn)便的方法便是測(cè)量總線兩端的節(jié)點(diǎn)電壓。如網(wǎng)絡(luò)的總線電阻過(guò)大時(shí)，節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)n總線對(duì)信號(hào)的損耗會(huì)很大，當(dāng)節(jié)點(diǎn)n接收的差分電壓低于1.2V時(shí)，需要增大終端電阻。在使用浪涌抑制器的場(chǎng)合，比如在圖7的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2之間增加SP00S12信號(hào)浪涌抑制器，其直流等效電阻為9.5Ω，可以將其等效為總線的有效電阻，當(dāng)節(jié)點(diǎn)1收到的電壓過(guò)低時(shí)可通過(guò)減小總線有效電阻，提高節(jié)點(diǎn)1處的終端電阻來(lái)彌補(bǔ)浪涌抑制器帶來(lái)的損耗。