CAN总线通信技术应用分析与优化.pdf

第 15 期2023 年 8 月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.15August,2023作者简介:王坤(1990),男,江苏连云港人,工程师,学士;研究方向:雷达微波电路。通信作者:梁星霞(1979),女,江苏宝应人,高级工程师,学士;研究方向:雷达微波电路。CAN 总线通信技术应用分析与优化王 坤,梁星霞,周 云(中国船舶集团公司第八研究院,江苏 南京 211153)摘要:CAN 总线作为一种高可靠性、长传输距离和低成本的传输技术,在社会各个领域有着广泛的应用。文章主要介绍了 CAN 总线在某型雷达系统中,发射分系统与水冷机柜分系统通信过程故障排查,应用分析及优化。该分析及优化能够减少终端信号差别,提高了 CAN 总线通信传输的稳定性和可靠性。关键词:CAN 总线;终端电阻;可靠性中图分类号:TN954.2 文献标志码:A0 引言 控制器局域网(Controller Area Network,CAN)是一种能够实现分布式实时控制的串行通信网络。现场总线技术以其信号传输全数字化,控制功能全数字化,标准统一全开放化的特点适应工业控制领域的分散化、网络化和智能化的发展趋势而成为当前控制领域的热门技术1。CAN 总线以其高可靠性、长传输距离和低成本而具有的巨大应用潜力而为业界所关注。尤其是在日益发展的以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统中,CAN 总线在近距离实时控制时可达 1 Mbps。在信息交互过程中,不特别强调实时控制时,CAN 总线能以5 kbps 的速度传输10 km 而不需任何中继器或路由器等设备参与组网,是其他类型的任一现场总线所不可比拟的2。从经济、方便、安全、可靠的角度而言,CAN 总线在企业的信息交换沟通领域里有着极其广阔的应用前景3。1 CAN 总线通信在国内外应用现状 CAN 总线技术是一种 90 年代兴起的现场总线技术,是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN 总线的高性能和可靠性已被认同,并被广泛地应用于工业自动化、船舶、雷达通信设备等方面。本文拟从CAN 总线终端电阻的选型匹配,对终端电阻通信仿真模拟及外场调试经验等几个方面进行分析优化阐述。2 CAN 总线终端电阻选型匹配 终端电阻是一种电子信息在传输过程中遇到的阻碍。高频信号传输时,信号波长相对通信电缆较短,信号在通信电缆终端会形成反射波,从而干扰原信号。所以传输线末端需要加终端电阻,使信号到达传输线末端后不反射。在长线信号传输时,一般为了避免信号的反射和回波,也需要在接收端接入终端匹配电阻4。如图 1 所示,通信电缆是用于信号传输的一种电线,CAN 总线中使用的双绞线是通信电缆的其中一种。图 1 通信物理模型笔者分析一小段电缆,设电缆每单位长度包含电阻 ROhm/m,电感 LH/m,漏电 GS/m和电容 CF/m。信号电压的频率 f=2piw。这段小电缆中电压电流关系推出等式(1)和(2),将式子(1)两边对 x 偏微分代入式子(2)推出(3):-Ux=R+iLIdx(1)1第 15 期2023 年 8 月无线互联科技电子通信No.15August,2023-dIx=G+iCU(2)2Ux2=(R+iL)(G+iC)(3)对式子(3)的求解可以通过两边做拉普拉斯变换,通解为:Ux,t=U ei(wt-x)e-x(4)=(R+iwL)(G+iwC)=+i(5)这个解可以理解为一个信号 U(t)以波的形式向右传播,其中速度为 v=/,衰减为 e-。在无损条件下即 R=0,G=0,可以得出,和 的值,其中=0,即电磁波没有衰减。=wLC(6)v=w=1LC(7)最后,通过 的值推算出波的传播速度 v。在一般电缆中,每米的电容 C 大概为 100 pF/m,每米电感 L 为 250 nH/m,可推出波的速度为 2 e8m/s,即为光速的三分之二。阻抗 Z=U(x,t)/I(x,t)。将 U 的解代入式(1)可以推出阻抗 Z 的表达式:Z=UI=R+iwL=R+iwLG+iwC(8)考虑理想电线电阻 R=0 和漏电 G=0,则有Z0=120 rcosh-1Dd120 rln 2Dd()(9)其中,D 为双绞线间距,d 为双绞线直径,一般 D的值比较难估计,通常双绞线的阻抗通过实验测得,一般有 100,120 和 150 几种。末端反射问题:假设在末端接入电阻 Rb,当 Rb=0 时为短接,Rb无穷时为断开。在末端处 x=0,输入出 x=l,在信号输入处有 R1=U(l,t)/I(l,t),末端为Rb=U(0)/I(0)。R1的物理含义是在信号输入端检测到的阻抗。将两处的边界条件代入通解式子可以推出:U(x)=U0cosh(x)-I0Zsinh(x)(10)I(x)=-U0Zsinh(x)+I0cosh(x)(11)R1=ZRB+Ztanh(l)Z+RBtanh(l)(12)当=0 时,R1=ZRB+iZtanh(l)Z+iRBtanh(l)(13)即在一般情况输入端的阻抗与 和电缆长度相关,又与信号的频率相关。其表现出来的物理意义就是在末端反射一个信号波与原来的波叠加产生的影响。(1)当电缆很短时,R1约等于 Rb。即反射现象几乎可以忽略。(2)当 Rb=无穷时,即断路,R1只有虚部,相位为负,相当于电容。末端反射一个正相信号。(3)当 Rb=0 时,即短路,R1只有虚部,相位为正,相当于电感。末端反射一个负相信号。(4)当 Rb=Z 时,R1=Rb=Z,即无反射。到此为止已经可以解答了这个问题,就是使终端电阻等于电缆阻抗时可以消除反射。通过以上信号反射产生的原因,研究可以总结出:终端电阻的阻值取决于线缆的阻抗。3 CAN 总线终端电阻通信模拟仿真 CAN 总线加入终端电阻,主要有以下作用:(1)提高抗干扰能力,让高频低能量的信号迅速走掉;(2)确保总线快速进入隐性状态,让寄生电容的能量更快走掉;(3)提高信号质量,放置在总线的两端,让反射能量降低。下面笔者就其作用,分别对其进行模拟仿真。3.1 提高抗干扰能力 如图 2 所示,CAN 总线上的信号区由“显性”和“隐性”两种状态构成。“显性”对应二进制的“逻辑0”。“隐性”对应二进制的“逻辑 1”,如图 2 所示。图 2 CAN 总线信号逻辑CANH 与 CANL 差分电压为 0 V 左右时为“隐性”,差分电压为 2 V 左右时为“显性”。“显性”或“隐性”由 CAN 收发器决定。以 CAN 收发器的内部结构为例,内部逻辑框如图 3 所示。总线“显性”时,收发器内部 Q1、Q2 导通,CANH、CANL 之间产生压差;“隐性”时,Q1、Q2 截止,CANH、CANL 处于无源状态,压差为 0。总线负载时,“隐性”时差分电阻阻值很大,外部2第 15 期2023 年 8 月无线互联科技电子通信No.15August,2023 图 3 CAN 收发器内部结构逻辑的干扰只需要极小的能量即可让总线进入“显性”(一般的收发器显性门限最小电压仅 500 mV,压差为500 mV 时,总线就判断为“显性”)。总线上有差模干扰时,总线上就会有明显的波动,而这些波动没有地方能够吸收掉它们,就会在总线上创造一个显性位出来。为提升总线隐性时的抗干扰能力,可以增加一个差分负载电阻,且阻值尽可能小,以杜绝大部分噪声能量的影响。为了避免需要过大的电流总线才能进入“显性”,阻值不能过小。3.2 确保总线尽快进入隐性状态 因为总线上不可避免地存在寄生电容,所以 CAN总线数据传输时,“隐性”和“显性”状态变化会对寄生电容进行充电和放电。若总线中无阻性负载,信号波形就会出现“缓慢变化”的过程,如图 4 所示。图 4 无阻性负载信号波形为了让总线寄生电容快速放电,确保总线快速进入隐性状态,笔者需要在 CANH、CANL 之间放置一个负载电阻,如图 5 所示,此图是具有负载电阻后信号波形仿真图。图 5 具有阻性负载信号波形笔者在 CANH、CANL 之间分别增加一个 60 的电阻后,从图 5 中看出,显性恢复到隐性的时间缩减到 128 ns,与显性建立时间相当。由以上的波形对比可发现,终端电阻会使总线更快地在“显性”和“隐性”状态间变化。3.3 吸收反射信号,提高信号质量 信号在较高的转换速率情况下,遇到阻抗变化时就会产生信号反射;另外,传输线缆横截面的几何结构发生变化时,线缆的特征阻抗也会随之变化,继而造成反射。反射的信号则会返回来影响质量,在总线上产生“振铃”,如图 6 所示。若“振铃”信号过大,该信号就会影响信号质量,甚至造成总线数据传输错误。笔者在电缆末端增加一个与电缆特征阻抗一致的终端电阻,可以对反射信号进行能量吸收,避免产3第 15 期2023 年 8 月无线互联科技电子通信No.15August,2023图 6 未加阻抗时总线信号生振铃,如图 7 所示。图 7 具有阻抗时总线信号4 CAN 总线通信外场调试 某型雷达分机系统调试时,出现水冷机柜分系统与发射分系统之间的两端通信不一致。为了排除信号电缆问题,笔者重新做了 3 m 长的双绞线,模拟舱内的电缆。笔者在长线这头测试,仍存在之前的问 题,所以两端通信不一致与通信电缆无关。笔者将水冷 PLC 的 120 电阻接入,再在长线这头测试,此时长线这头的信号与舱内转换插座上一致。因此,验证了分系统之间通信,通信电缆两端需要进行阻抗匹配,即通信电缆两端需要加入终端电阻,以免造成雷达整机通信上的误判。5 结语 在某型雷达系统调试中,笔者发现发射分机与水冷机柜通信过程出现信号误码,通信电缆两端信号不一致问题。本文通过对 CAN 总线终端电阻的选型匹配,对终端电阻通信仿真模拟及外场调试经验等几个方面进行阐述,解决了上述问题,提高了 CAN 总线通信传输的稳定性和可靠性。参考文献1斯可克.现场总线的现状与发展J.自动化博览,2000(2):1-6.2邬宽明.CAN 总线原理和应用系统设计M.北京:北京航空航天大学出版社,1996.3吴化柱,乔毅,袁爱进,等.CAN 现场总线运行故障调试和分析J.大连铁道学院学报,2002(4):55-58.4冉光伟.某乘用车 CAN 网络架构设计与研究D.广州:华南理工大学,2019.(编辑 王永超)Application analysis and optimization of CAN bus communication technologyWang Kun Liang Xingxia Zhou Yun The Eighth Research Academy of CSSC Nanjing 211153 China Abstract As a highly reliable long-distance and low-cost transmission technology CAN bus has been wildly used in various fields of society.This paper mainly presents troubleshooting application analysis and optimization of CAN bus in the communication process between the transmission subsystem and the water-cooled cabinet subsystem of a certain radar system.This analysis and optimization can reduce terminal signal differences.It also can improve the stability and reliability of CAN bus communication transmission.Key words CAN bus terminal resistor reliability4