技術(shù)小課堂 | CAN總線應(yīng)用常見問題(1)

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork，CAN）的簡(jiǎn)稱，由德國(guó)的BOSCH公司開發(fā)，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11898），是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

CAN總線通過差模信號(hào)傳輸使得總線具有良好的抗干擾性能。由于總線具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在軌道交通、汽車電子等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。伴隨著技術(shù)的升級(jí)和CAN節(jié)點(diǎn)的增加，對(duì)于經(jīng)典CAN最高1Mbps的波特率已經(jīng)不能滿足應(yīng)用需求。因此CAN FD協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生，并在2016年正式寫入ISO 11898，將最高波特率提高到5Mbps。但是隨著新一代汽車智能化的快速發(fā)展，對(duì)CAN通信的速率的提升有了進(jìn)一步的要求，CiA（CAN in Automation）協(xié)會(huì)牽頭制定了CiA601-4的標(biāo)準(zhǔn)，定義了CAN FD SIC（Signal Improvement Capability）的要求，將通信速率提升到8Mbps，并在2024年正式寫入ISO 11898-2:2024國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)下一代的標(biāo)準(zhǔn)CAN XL也被進(jìn)一步明確，將CAN通信速率的上限提升到20Mbps，CAN的應(yīng)用場(chǎng)景也將進(jìn)一步拓寬。

作為國(guó)內(nèi)接口芯片的領(lǐng)行者和CiA協(xié)會(huì)的會(huì)員，思瑞浦可以為用戶提供全系列的CAN收發(fā)器產(chǎn)品，并持續(xù)大力投入緊跟行業(yè)的需求和發(fā)展方向，為用戶提供高可靠性、高性能、高性價(jià)比的解決方案。

思瑞浦的CAN收發(fā)器產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用于眾多的領(lǐng)域，我們也收集到了很多來自客戶實(shí)際應(yīng)用中比較常見的一些應(yīng)用相關(guān)疑問，本文將介紹常見的CAN總線應(yīng)用問題，并提供相應(yīng)的解決方法，以幫助您更好地理解和解決這些問題。

CAN芯片最低速率要求

CAN總線上的數(shù)據(jù)采用不歸零編碼方式，顯性和隱性同時(shí)傳送時(shí)，總線的結(jié)果值為顯性。而對(duì)于具有TXD顯性超時(shí)保護(hù)功能的CAN收發(fā)器，在TXD引腳顯性時(shí)間超過允許最大的時(shí)間tDOM后，發(fā)送器將被禁能，收發(fā)器輸出表現(xiàn)為隱性狀態(tài)，根據(jù)CAN協(xié)議（ISO 11898），除了錯(cuò)誤幀和過載幀（允許6個(gè)相等顯性位），CAN幀報(bào)文中在5個(gè)連續(xù)相等位后，發(fā)送器自動(dòng)插入一個(gè)與之互補(bǔ)的補(bǔ)碼位；接收時(shí)，這個(gè)填充位被自動(dòng)丟掉。例如，5個(gè)連續(xù)的高電平位后，CAN自動(dòng)插入一個(gè)低電平位。

因此TXD只允許最多11個(gè)連續(xù)的顯性位，最壞的情況是一個(gè)錯(cuò)誤幀緊接在5個(gè)連續(xù)的顯性位后，即tDOM的最小值要求收發(fā)器的最小位速率必須大于36.67kbps。

ISO 11898-2顯性超時(shí)要求

此外顯性超時(shí)保護(hù)功能可有效保護(hù)總線的正常通信，由于CAN總線顯性電平的“支配地位”，在CAN總線組網(wǎng)時(shí)，若有其中一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)硬件或者軟件上的錯(cuò)誤，使控制器TXD引腳持續(xù)處于低電平，則會(huì)使總線電平持續(xù)保持在顯性狀態(tài)，總線上所有節(jié)點(diǎn)均不能正常通信，導(dǎo)致總線癱瘓。

若總線節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，確定問題節(jié)點(diǎn)將是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，TXD顯性超時(shí)后，發(fā)送器將被禁能，收發(fā)器輸出表現(xiàn)為隱性狀態(tài)，總線將不受該節(jié)點(diǎn)影響，從而保證總線的正常通信。收發(fā)器下一個(gè)顯性輸出只有在釋放了TXD后才可以產(chǎn)生。

思瑞浦推出的全系CAN收發(fā)器均支持TXD顯性超時(shí)保護(hù)功能，保證了總線通信的魯棒性。

采樣點(diǎn)設(shè)置錯(cuò)誤

采樣點(diǎn)是CAN控制器讀取總線電平并解釋各個(gè)比特位邏輯值的時(shí)間點(diǎn)。由于CAN報(bào)文的一個(gè)位時(shí)間由若干個(gè)Tq組成(CAN控制器的最小時(shí)間周期稱作時(shí)間份額Tq，它是通過對(duì)芯片晶振周期進(jìn)行分頻而得來的)，通常為8~25個(gè)，同時(shí)根據(jù)功能分為4個(gè)階段: 同步段、傳播段、相位緩沖段1和相位緩沖段2。

1個(gè)bit位的構(gòu)成

采樣點(diǎn)即為在某位時(shí)間內(nèi)讀取總線電平的時(shí)刻，采樣時(shí)刻的設(shè)置通過配置寄存器決定，對(duì)于同一CAN整車網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該盡量使用相同的采樣點(diǎn)位置，否則容易出現(xiàn)采樣錯(cuò)誤，進(jìn)而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信出現(xiàn)故障。

收發(fā)報(bào)文報(bào)文ID沖突

CAN總線是廣播類型的總線，所有的消息都以固定的格式發(fā)送。在總線空閑狀態(tài)下，任意節(jié)點(diǎn)都可以向總線上發(fā)送信息。最先向總線發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)獲得總線的發(fā)送權(quán)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送消息時(shí)，所發(fā)送消息的優(yōu)先權(quán)高的那個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得總線的發(fā)送權(quán)。

所謂節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先權(quán)是根據(jù)標(biāo)識(shí)符（Identifier以下稱為ID）決定。這里ID不是表示發(fā)送的目的地址，而是表示訪問總線的消息的優(yōu)先級(jí)，ID值越小優(yōu)先級(jí)越高。當(dāng)兩個(gè)以上的單元同時(shí)開始發(fā)送消息時(shí)，對(duì)各消息ID的每個(gè)位進(jìn)行逐個(gè)仲裁比較，仲裁獲勝（被判定為優(yōu)先級(jí)最高）的單元可繼續(xù)發(fā)送消息，仲裁失利的單元?jiǎng)t立刻停止發(fā)送而進(jìn)行接收工作。

仲裁過程示意

ID的大小決定了總線上節(jié)點(diǎn)沖突時(shí)各節(jié)點(diǎn)的發(fā)送順序，整車上通信的報(bào)文數(shù)量級(jí)在幾十甚至上百，如果這些報(bào)文的ID重復(fù)，總線上會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤幀，因此在前期軟件設(shè)計(jì)階段需根據(jù)ECU設(shè)備的重要性定義好每個(gè)設(shè)備在組網(wǎng)中ID，并保證其ID在組網(wǎng)中的唯一性。

CAN總線組網(wǎng)問題

ISO11898-2中對(duì)高速CAN物理層進(jìn)行了規(guī)定，推薦CAN網(wǎng)絡(luò)采用總線形式的線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如下圖所示，線性拓?fù)銫AN網(wǎng)絡(luò)采用單一信道（總線）作為傳輸介質(zhì)，所有的站點(diǎn)通過相應(yīng)的硬件接口接到一條公共的總線上。線性拓?fù)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/503176.html">阻抗匹配比較簡(jiǎn)單，只需要在主干的兩端并上合適的終端電阻即可(2km內(nèi)通常為120Ω)。

線性拓?fù)?/p>

T型接線方式會(huì)存在由于分支長(zhǎng)度以及分支長(zhǎng)度的積累造成阻抗的不連續(xù)，因而接頭處產(chǎn)生信號(hào)“反射”的現(xiàn)象。反射的信號(hào)量由瞬態(tài)阻抗的變化量決定，變化量越大，反射就越嚴(yán)重。分支處產(chǎn)生的是負(fù)相反射，引起信號(hào)電平下沖，這種下沖可能會(huì)超過噪聲容限，造成誤觸發(fā)。為了避免這種情況發(fā)生，希望反射波盡快回到源端，也就是支線要盡可能短。在ISO11898-2中規(guī)定分支長(zhǎng)度在1Mbps下不得大于0.3m，則可以穩(wěn)定運(yùn)行，如下圖。

組網(wǎng)拓?fù)湟?/p>

此外CAN總線長(zhǎng)度與傳輸速率有關(guān)，在1Mbps速率下點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信總線最大長(zhǎng)度為40m。實(shí)際線長(zhǎng)與總線節(jié)點(diǎn)數(shù)量以及線材拓?fù)溆嘘P(guān)，需根據(jù)具體調(diào)試決定。

通信速度和最大總線長(zhǎng)度的關(guān)系