合理的CAN-bus总线设计 保证通讯的可靠性和节点数
0 2022-11-29

在CAN-bus电路设计中,理论上收发器支持节点数最多可做到110个,但实际应用中往往达不到这个数量。这里我们谈谈如何通过合理的CAN-bus总线设计,保证CAN网络中的通讯的可靠性和节点数量。

1.影响CAN总线节点数的因素

影响总线节点数的因素有多种,本文我们从满足接收节点的差分电压幅值方面来讨论,只有满足了这个前提条件,我们才能考虑总线的其他因素如寄生电容、寄生电感对信号的影响。

1)发送节点的CAN接口负载

为何考虑CAN接口负载?

CAN接口负载即为CANH、CANL之间的有效电阻值大小,该电阻会影响发送节点输出的差分电压的幅值,组网后网络中各个节点的负载电阻 RL接近,如图 1我们测试了CTM1051M小体积CAN隔离模块在不同负载下的输出差分电压幅值。

图 1 不同负载下的差分电压

在负载电阻由45Ω不断增大到66Ω时,节点的输出差分电压也随着由1.84V增大到2.16V,两者近似线性关系。为了使发送节点的输出差分电压不至于过低,实际组网时负载电阻应在图 1测试的范围内波动。我们分析RL的组成有3个:终端电阻、总线节点的差分输入电阻、总线本身的有效电阻。

终端电阻:总线两端均需要增加终端电阻,当总线距离长时,总线有效电阻大,损耗大,可以适当增加终端电阻值以减小总线有效电阻的损耗,如150Ω~300Ω。

差分输入电阻:ISO 11898中规定的收发器差分输入电阻范围为10kΩ~100kΩ之间,CTM1051M系列收发器的差分输入电阻为19kΩ~52kΩ,其典型值为30 kΩ,如果我们以最多节点组网,按典型值考虑,则整个总线的差分输入电阻会达到30 kΩ/110=273Ω,与终端电阻并联时会显著增加节点的负载。

总线有效电阻:使用较小截面积的双绞线,其有效电阻达到几十欧姆,长距离通信,总线对差分信号的影响会很大,如常用的RVS非屏蔽双绞线的电阻从8.0Ω/km到39.0Ω/km不等。严重时会使接收点的电平达不到识别范围。

差分电压除负载电阻的影响外,还会受到供电电压的影响,如图 2我们测试了CTM1051M模块在不同电压,不同负载下的差分电压幅值,可以看到电源电压升高0.5V,差分电压幅值会升高约0.3V。

图 2 不同供电电压下的差分电压

2)接收节点的识别电平

接收节点有一定的电平识别范围,CTM1051M的CAN接口典型参数如表 1所示。节点输入显性电平应大于0.9V。ISO 11898中,总线上的任意点的最小电平应大于1.2V,组网时我们应使差分电压大于此值。

表 1 CAN接口典型参数

2.实际组网分析

目前收发器的最大组网节点数为110个,组网时我们考虑以上的电阻参数,确保总线上的差分电压在合理的范围内即可。

图 3为CTM1051M推荐的组网拓扑,我们要考虑总线电阻,终端电阻,发送点,接收点电压参数。画出其等效电路如图 4所示。

图 3 CTM1051M推荐组网

图 4 CTM1051M组网等效电路

根据等效电路,我们可以调整的参数有终端电阻RT、发送节点电压VOUT、总线有效电阻RW。

图 4中,各节点的RW、RIN难以准确确定,组网时以公式计算较为繁琐,简便的方法便是测量总线两端的节点电压。如网络的总线电阻过大时,节点1到节点n总线对信号的损耗会很大,当节点n接收的差分电压低于1.2V时,需要增大终端电阻。

在使用浪涌抑制器的场合,比如在图 4的节点1和节点2之间增加SP00S12信号浪涌抑制器,其直流等效电阻为9.5Ω,可以将其等效为总线的有效电阻,当节点1收到的电压过低时可通过减小总线有效电阻,提高节点1处的终端电阻来弥补浪涌抑制器带来的损耗。

3.总结

无论总线网络长短,网络两端都需要加终端电阻;

通讯距离长时,适当增加终端电阻值,减少总线电阻对信号的衰减,如150Ω~300Ω;

有强烈干扰的场合使用屏蔽双绞线,屏蔽层单点接大地;

收发器CAN接口输出的差分电平会随着供电电压的变化而变化,应确保供电电压在手册规定范围内。

4.新一代高可靠性CAN-bus隔离收发器模块

在户外或其他复杂的工业现场环境,除了要使用CAN总线隔离收发器进行信号隔离传输,还需要考虑如何避免雷击、浪涌、过压等有害信号对信号传输系统的影响。针对这类恶劣的应用环境,致远电子推出新一代高防护等级隔离CAN收发器CTM1051HP,在普通的隔离收发器基础上集合了总线保护器的功能,可有效避免雷击、浪涌、过压对CAN总线产生的影响,大大加强总线的可靠性。且CTM1051HP与常规CAN隔离收发器相比体积不变,可广泛应用于各类高体积要求或紧凑型产品中,亦可作为现有CAN隔离收发电路的优化方案。


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