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如何保證CAN網(wǎng)絡(luò)中通訊的可靠性和節(jié)點(diǎn)數(shù)?

發(fā)布時(shí)間:2017-09-29 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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。這里我們談?wù)勅绾瓮ㄟ^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。

1.影響CAN總線節(jié)點(diǎn)數(shù)的因素

影響總線節(jié)點(diǎn)數(shù)的因素有多種,本文我們從滿足接收節(jié)點(diǎn)的差分電壓幅值方面來討論,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、寄生電感對信號的影響。

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 1我們測試了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 1 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低,實(shí)際組網(wǎng)時(shí)負(fù)載電阻應(yīng)在圖 1測試的范圍內(nèi)波動。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達(dá)到30 kΩ/110=273Ω,與終端電阻并聯(lián)時(shí)會顯著增加節(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,長距離通信,總線對差分信號的影響會很大,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)會使接收點(diǎn)的電平達(dá)不到識別范圍。

差分電壓除負(fù)載電阻的影響外,還會受到供電電壓的影響,如圖 2我們測試了CTM1051M模塊在不同電壓,不同負(fù)載下的差分電壓幅值,可以看到電源電壓升高0.5V,差分電壓幅值會升高約0.3V。
圖 2 不同供電電壓下的差分電壓

2)接收節(jié)點(diǎn)的識別電平

接收節(jié)點(diǎn)有一定的電平識別范圍,CTM1051M的CAN接口典型參數(shù)如表 1所示。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。
表 1 CAN接口典型參數(shù)
2.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 3為CTM1051M推薦的組網(wǎng)拓?fù)?,我們要考慮總線電阻,終端電阻,發(fā)送點(diǎn),接收點(diǎn)電壓參數(shù)。畫出其等效電路如圖 4所示。
圖 3 CTM1051M推薦組網(wǎng)
圖 4 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 4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,簡便的方法便是測量總線兩端的節(jié)點(diǎn)電壓。如網(wǎng)絡(luò)的總線電阻過大時(shí),節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)n總線對信號的損耗會很大,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合,比如在圖 4的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2之間增加SP00S12信號浪涌抑制器,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收到的電壓過低時(shí)可通過減小總線有效電阻,提高節(jié)點(diǎn)1處的終端電阻來彌補(bǔ)浪涌抑制器帶來的損耗。

3.總結(jié)

無論總線網(wǎng)絡(luò)長短,網(wǎng)絡(luò)兩端都需要加終端電阻; 通訊距離長時(shí),適當(dāng)增加終端電阻值,減少總線電阻對信號的衰減,如150Ω~300Ω; 有強(qiáng)烈干擾的場合使用屏蔽雙絞線,屏蔽層單點(diǎn)接大地; 收發(fā)器CAN接口輸出的差分電平會隨著供電電壓的變化而變化,應(yīng)確保供電電壓在手冊規(guī)定范圍內(nèi)。

4.新一代高可靠性CAN-bus隔離收發(fā)器模塊

在戶外或其他復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境,除了要使用CAN總線隔離收發(fā)器進(jìn)行信號隔離傳輸,還需要考慮如何避免雷擊、浪涌、過壓等有害信號對信號傳輸系統(tǒng)的影響。針對這類惡劣的應(yīng)用環(huán)境,致遠(yuǎn)電子推出新一代高防護(hù)等級隔離CAN收發(fā)器CTM1051HP,在普通的隔離收發(fā)器基礎(chǔ)上集合了總線保護(hù)器的功能,可有效避免雷擊、浪涌、過壓對CAN總線產(chǎn)生的影響,大大加強(qiáng)總線的可靠性。且CTM1051HP與常規(guī)CAN隔離收發(fā)器相比體積不變,可廣泛應(yīng)用于各類高體積要求或緊湊型產(chǎn)品中,亦可作為現(xiàn)有CAN隔離收發(fā)電路的優(yōu)化方案。
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