CAN通信終端電阻匹配試驗(yàn)研究*

（海軍工程大學(xué) 武漢 430032）

1 引言

CAN（Controller Area Network）總線通信是一種具有高可靠性、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)的雙線串行通信網(wǎng)絡(luò)，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，在汽車中控系統(tǒng)、船舶控制系統(tǒng)等領(lǐng)域廣泛使用。

CAN通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有總線型與星型結(jié)構(gòu)等，實(shí)際工程中，根據(jù)環(huán)境不同要靈活采用總線型或者星型等布線方式，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，其終端電阻的配置也不相同，并且終端電阻是否合理配置直接影響信號(hào)傳輸質(zhì)量。

本文為研究不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，不同終端電阻配置對(duì)CAN差分信號(hào)的影響，搭建CAN通訊試驗(yàn)平臺(tái)，采用STM32105VCT6芯片，其內(nèi)部帶有CAN控制器，使用TJA1040作為總線驅(qū)動(dòng)器，其主要性能如下：1）TJA1040是PCA82C250/251高速CAN驅(qū)動(dòng)器的后繼產(chǎn)品，完全兼容ISO/DIS11898標(biāo)準(zhǔn)；2）最高速率可達(dá)1Mbps；3）具有優(yōu)秀的EMC性能；4）理想的無(wú)源性能；5）溫度保護(hù)；6）低功耗管理模式；7）支持遠(yuǎn)程喚醒功能；8）總線及電源及地之間的短路保護(hù)［1］。

2 CAN信號(hào)位數(shù)值表示與邏輯識(shí)別范圍

CAN能夠使用多種物理介質(zhì)，例如雙絞線、同軸電纜、光纖等。最常用的是雙絞線，信號(hào)使用差分電壓傳送，如圖1所示，兩條信號(hào)線被稱為CAN_H與CAN_L，靜態(tài)時(shí)兩線之間的差分電平Vdiff約為0，此時(shí)狀態(tài)表示為邏輯1，稱為隱性；用CAN_H比CAN_L高表示邏輯0，稱為顯性［2］，CAN協(xié)議規(guī)定，顯性與隱性差分電平的識(shí)別要在一定閾值范圍內(nèi)，如表1所示。

圖1 雙絞線CAN總線的電平表示

表1 差分電平邏輯識(shí)別范圍

3 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)終端電阻配置研究

3.1 終端電阻為120Ω時(shí)差分信號(hào)質(zhì)量研究

由于雙絞線特征阻抗約為120Ω，為了避免信號(hào)反射影響，CAN協(xié)議約定在總線終端上跨接一個(gè)120Ω的終端電阻保持阻抗連續(xù)，但在長(zhǎng)距離通信情況下，由于線纜直流電阻阻值較大，如果繼續(xù)保持120Ω大小的終端電阻，雖然能避免信號(hào)反射帶來(lái)的影響，但實(shí)際上接收節(jié)點(diǎn)的收發(fā)器接收到的顯性差分電壓幅值較低，可能不在差分電平邏輯識(shí)別范圍內(nèi)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)接收失敗。

圖2 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通信試驗(yàn)平臺(tái)

圖2為總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通信試驗(yàn)平臺(tái)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)處于總線首尾兩端，均跨接一個(gè)終端電阻，傳輸線纜為超五類非屏蔽雙絞線，線規(guī)AWG24，線纜直流電阻為133 mΩ/m，將終端電阻值固定為120Ω，改變傳輸距離，差分信號(hào)幅值變化如表2所示。

表2 終端電阻為120Ω時(shí)接收節(jié)點(diǎn)顯性差分信號(hào)幅值

由表2數(shù)據(jù)可知：終端電阻固定為120Ω時(shí)，不同距離下接收節(jié)點(diǎn)的顯性差分信號(hào)幅值不同，距離越長(zhǎng)，線纜直流電阻越大，接收節(jié)點(diǎn)接收到的差分信號(hào)幅值越小，當(dāng)傳輸距離至900m時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)的收發(fā)器接收到的顯性差分電壓幅值為1V，此時(shí)差分電壓幅值的抗干擾能力極差，通訊呈現(xiàn)為時(shí)好時(shí)壞的現(xiàn)象，通訊失敗，其波形如圖3所示，故在遠(yuǎn)距離通信中，為了保證信號(hào)穩(wěn)定可靠，不應(yīng)將終端電阻限制在120Ω。

圖3 雙節(jié)點(diǎn)900 m通信收發(fā)波形圖（終端電阻120Ω）

3.2 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等效電路分析

上一節(jié)得出結(jié)論：CAN通信總線型結(jié)構(gòu)，其終端電阻配置不應(yīng)固定在120Ω，通過(guò)等效電路來(lái)分析終端電阻及線纜電阻對(duì)差分信號(hào)幅值的影響。圖4是總線型網(wǎng)絡(luò)物理層等效電路圖，Vdiff.out是差動(dòng)輸出電壓，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)節(jié)點(diǎn)可視為一個(gè)電壓源，幅值為Vdiff.out，標(biāo)準(zhǔn)值為2V。節(jié)點(diǎn)接收總線上的消息時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)視為一個(gè)差動(dòng)輸入電阻Rdiff，TJA1040的差動(dòng)輸入電阻約為30kΩ，Vdiff.in為接收節(jié)點(diǎn)的差動(dòng)輸入電壓，RT為終端電阻，RW為線纜電阻。

圖4 雙節(jié)點(diǎn)總線型結(jié)構(gòu)物理層等效電路圖

在靜態(tài)條件下，接收節(jié)點(diǎn)的差動(dòng)輸入電壓等于差動(dòng)輸入電阻與通過(guò)該節(jié)點(diǎn)的電流的乘積。接收節(jié)點(diǎn)的差動(dòng)輸入電壓取決于以下幾個(gè)因素：發(fā)送節(jié)點(diǎn)的差動(dòng)輸出電壓Vdiff.out，總線線纜的電阻Rw以及接收節(jié)點(diǎn)的差動(dòng)輸入電阻Rdiff和兩個(gè)終端電阻的阻值，接收節(jié)點(diǎn)的差動(dòng)輸入電壓可由下式計(jì)算［4］：

由式（1）看出，接收節(jié)點(diǎn)的差動(dòng)輸入電壓與總線線纜電阻成反比，與終端電阻阻值成正比，為了接收節(jié)點(diǎn)正確檢測(cè)到顯性位，接收節(jié)點(diǎn)的差動(dòng)輸入電壓必須大于閾值電壓Vth，即

Rw=ρL，ρ為電阻率，L為線纜長(zhǎng)度，總線距離越長(zhǎng)，線纜直流電阻越大，要使接收節(jié)點(diǎn)正確檢測(cè)到顯性位，終端電阻應(yīng)更大。

3.3 終端電阻調(diào)整后差分信號(hào)質(zhì)量研究

在上節(jié)理論推導(dǎo)基礎(chǔ)上，調(diào)整終端電阻阻值，不同傳輸距離下差分信號(hào)幅值變化見表3。從表中數(shù)據(jù)看出：傳輸距離900m時(shí)，調(diào)整終端電阻后，接收節(jié)點(diǎn)接收到的顯性差分信號(hào)幅值為1.7V。此時(shí)信號(hào)傳輸穩(wěn)定，通訊正常，收發(fā)波形見圖5，與終端電阻120Ω時(shí)的信號(hào)波形相比，差分信號(hào)電壓幅值提高，雖然會(huì)因?yàn)榻K端電阻較大引起放電時(shí)間變長(zhǎng)，在波形上表現(xiàn)為下降沿變緩，但由于采樣點(diǎn)處于每個(gè)位時(shí)間的80%左右，不影響接收節(jié)點(diǎn)正確接收。

表3 終端電阻調(diào)整后接收節(jié)點(diǎn)顯性差分信號(hào)幅值

4 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)終端電阻配置研究

總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在CAN通信布線時(shí)最為常見［5］，只在總線兩端配置終端電阻，為了避免分支節(jié)點(diǎn)處支線過(guò)長(zhǎng)引起的信號(hào)反射導(dǎo)致信號(hào)失真，CAN協(xié)議要求支線長(zhǎng)度不超過(guò)6m，在一些復(fù)雜領(lǐng)域中，如果繼續(xù)使用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，會(huì)帶來(lái)布線困難問(wèn)題，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一方面可減少布線困難問(wèn)題，另一方面還可對(duì)中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)智能化管理，因此需要研究星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其終端電阻配置方案［6～7］。

圖5 終端電阻調(diào)整后雙節(jié)點(diǎn)900m通信收發(fā)波形圖

圖6 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在分支基本等長(zhǎng)的情況下，可以不適用集線器等設(shè)備，調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的終端電阻阻值便可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信［8］。終端電阻對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懺谟谄ヅ渚€纜的特征阻抗避免信號(hào)反射以及影響差分信號(hào)幅值。試驗(yàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如6所示，傳輸線纜為超五類非屏蔽雙絞線，線規(guī)AWG24，線纜直流電阻為133mΩ/m，中心節(jié)點(diǎn)與各分支節(jié)點(diǎn)相距300m，節(jié)點(diǎn)1發(fā)送，節(jié)點(diǎn)2、3、4接收，試驗(yàn)結(jié)果如表4及圖7～10所示。

表4 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)終端電阻試驗(yàn)結(jié)果

圖7 星型拓?fù)?、4節(jié)點(diǎn)收發(fā)波形（終端電阻120Ω）

圖8 星型拓?fù)?、4節(jié)點(diǎn)收發(fā)波形（終端電阻180Ω）

從表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)終端電阻過(guò)小時(shí)，導(dǎo)致接收節(jié)點(diǎn)的差分電壓幅值較低未達(dá)到閾值識(shí)別范圍導(dǎo)致系統(tǒng)通信失敗。當(dāng)終端電阻過(guò)大，如圖10所示，終端電阻與線纜特征阻抗不匹配引發(fā)信號(hào)反射，并且在下降沿，由于終端電阻過(guò)大導(dǎo)致傳輸線纜分布電容放電時(shí)間延長(zhǎng)，影響采樣的正確性。因此星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)終端電阻的匹配要考慮信號(hào)反射與差分信號(hào)幅值這兩個(gè)因素，從圖中可以看出，3個(gè)分支節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)時(shí)，分支節(jié)點(diǎn)終端電阻為180Ω時(shí)，信號(hào)反射不嚴(yán)重，幅值達(dá)到閾值識(shí)別范圍，試驗(yàn)效果最好。本文未進(jìn)行4節(jié)點(diǎn)以上的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通信試驗(yàn)，在更多節(jié)點(diǎn)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通信系統(tǒng)中，其終端電阻配置思路可參考本試驗(yàn)。

圖9 星型拓?fù)?、4節(jié)點(diǎn)收發(fā)波形（終端電阻240Ω）

圖10 星型拓?fù)?、4節(jié)點(diǎn)收發(fā)波形（終端電阻440Ω）

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)電路等效的方法推導(dǎo)出總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)終端電阻與線纜直流電阻的關(guān)系，得出總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)終端電阻配置方案為RT=max{120Ω，2Rw}，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，證明推論的合理性。搭建3分支節(jié)點(diǎn)星型拓?fù)渫ㄐ旁囼?yàn)平臺(tái)，并調(diào)節(jié)終端電阻觀察信號(hào)波形，發(fā)現(xiàn)在每個(gè)分支節(jié)點(diǎn)均跨接適當(dāng)終端電阻能得到較好的通信效果。總之，根據(jù)實(shí)際情況可按不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行布線及終端電阻匹配，有利于提高CAN的通信效果。