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影響CAN波形穩定的罪魁禍首—邊沿臺階

2019-04-18來源: ZLG立功科技·致遠電子關鍵字:CAN  邊沿臺階

你了解CAN總線波形嗎?你知道是什么因素造成CAN信號不穩定的嗎?本文將帶你探究影響CAN波形穩定的罪魁禍首——邊沿臺階。


阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負載之間達到一種適合的搭配,阻抗匹配主要為了調整負載功率和抑制信號反射;然而,阻抗不匹配的現象在CAN總線網絡中隨處可見;如圖1所示,阻抗不匹配的將造成7個現象,其中最受關注的為上升沿和下降沿的臺階;下文將針對邊沿臺階的現象做詳細介紹。


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 圖1  阻抗不匹配波形


解釋邊沿臺階是怎么出現的,如何消除,對總線有何影響;


一、邊沿臺階的源頭


在CAN總線的網絡布局中,手牽手直線型拓撲是最理想最常規的布局;但是在實際現場中,經常會出現分支的現象。這里重點提一下,在計算CAN總線長度的時候,分支(從收發器端至總線)長度也要加上。為此我們做了分支過長的實驗,實驗中CAN總線中有三個CAN節點,主干線長度為15米,其中一個節點的分支長度為1米,波特率為250k的情況下進行通信。下圖為實驗的CAN波形圖,明顯可以看到上升沿和下降沿存在臺階現象,從而引起波特率變化,導致接收節點采樣出錯(也稱位寬錯誤)。


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所以,邊沿臺階出現的源頭主要是CAN節點的分支,分支過長形成的反射就變強,將會導致位寬度失調的錯誤。ISO11898中只規定1M波特率下分支不超過0.3米,但是在其它情況下并沒有做聲明,這個便取決于現場工程師們的經驗。


二、消除邊沿臺階


邊沿臺階是造成錯誤波形的罪魁禍首,那么該如何消除邊沿臺階的現象呢?下文將從源頭以及補救措施上分別介紹一些可靠有效的方法。


1. 減少分支長度

在CAN網絡布局的根源上解決問題的方式就是減少CAN節點的分支長度,從而降低信號反射,保證位寬的穩定性。在上述實驗中,其它條件不變,只將分支長度減少為20cm;下圖為CAN波形圖,此時并沒有看到邊沿臺階的出現。由此可見,減少分支長度是消除邊沿臺階的最直接方式。


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2. 長分支上加適當電阻

在網絡布局無法改變,分支引起的信號反射必須存在的情況下。最實用的方法就是在長分支末端加上電阻,消除信號反射。同樣的在上述實驗中,在分支節點處加上一個200Ω的電阻,其它條件不變進行通信實驗。下圖為實驗的CAN波形圖,此時可以看到邊沿臺階已被消減,但是加了電阻之后差分電壓變小,注意差分電壓不得小于0.9V。這里值得一提的是:阻值大于500Ω的電阻吸收反射的能力很弱,所以在末端掛電阻的時候應小于500Ω。


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3. 縮短殘端

前面提到分支長度指的是從節點收發器至總線處的距離,在節點設計之初,應選擇TTL遠傳方式,因為TTL電平不受CAN電容影響,所以收發器應靠近接口擺放,以減少分支殘段的長度,建議控制在10cm以內,可以保證阻抗連續。


TTL遠傳最直接的方式就是將CAN收發器緊挨著CAN主干線放置,這樣就沒有分支長度。光纜星型拓撲結構便是使用這種方式,如下圖;CAN光纖收發器內置在盒子里面,使用TTL電平遠傳到另一個CAN光纖收發器,解決了節點隨意變化問題(節點任意上下電或插拔)。


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4. 消除負載集中

在布局較復雜的CAN網絡中,為了避免節點擺放集中導致反射疊加,建議相鄰節點的距離不得小于2cm,10m的電纜上所集中的設備最好不要超過4個,否則應加電容以吸收,并且此集中與下一個集中至少有10m的電纜距離。


同樣,在復雜網絡布局中,分支過長且不等的網絡,由于阻抗匹配困難,常使用集線器或中繼器進行分支;集線器和中繼器有獨立的控制器和MCU,將每段形成獨立的直線拓撲,如下圖。


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5. 屏蔽層分段接地

屏蔽層多點接地需要注意接地點電位,避免地回流影響信號質量。若屏蔽層太長可以采用分段屏蔽,單點接地方法,如下圖,就可以有效避免地回流的問題。


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三、邊沿一致性測試


信號邊沿是反映信號質量好壞的重要指標。若信號下降邊沿變緩造成CAN信號波形一定程度的失真,導致收發器采樣出錯。參考主流車企的邊沿測試,一般把邊沿10%到90%所經歷的時間作為邊沿時間,仿真了DUT接入CAN網絡時可能會受到的容抗影響,以使測量結果更具有實際意義。分別在CANDT仿真的小電容、大電容負載的環境,對DUT的邊沿進行測量。


● 測試目的:分別在小電容和大電容負載下測量CANH、CANL及CANDIFF信號位上升或下降時間;

●  測試原理:測試原理如下圖,DUT往總線正常傳輸數據時,傳輸的數據幀是顯性位和隱性位的序列,即傳的數據中包含了上升、下降時間信息;


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四、CANDT


ZLG致遠電子發布的CANDT一致性測試系統可自動化完成CAN節點物理層、鏈路層及應用層一致性測試,是當前CAN總線測試領域唯一能夠進行完善的物理層自動化測試并導出報表的儀器設備。避免了人工測量統計的誤差,同時配合自動化測試的方式,減少了測試時間的浪費,提高了測試的準確度,極大節約了人工成本。


CANDT一致性測試系統基于CANScope底層分析能力,集成示波器、電源等必要設備,可覆蓋主機廠CAN一致性測試標準,為主機廠及零部件企業建立CAN總線測試及保障體系。


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關鍵字:CAN  邊沿臺階

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