合理的CAN-bus總線設計 保證通訊的可靠性和節點數

在CAN-bus電路設計中，理論上收發器支持節點數最多可做到110個，但實際應用中往往達不到這個數量。這里我們談談如何通過合理的CAN-bus總線設計，保證CAN網絡中的通訊的可靠性和節點數量。

1.影響CAN總線節點數的因素

影響總線節點數的因素有多種，本文我們從滿足接收節點的差分電壓幅值方面來討論，只有滿足了這個前提條件，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）發送節點的CAN接口負載

為何考慮CAN接口負載？

CAN接口負載即為CANH、CANL之間的有效電阻值大小，該電阻會影響發送節點輸出的差分電壓的幅值，組網后網絡中各個節點的負載電阻 RL接近，如圖 1我們測試了CTM1051M小體積CAN隔離模塊在不同負載下的輸出差分電壓幅值。

圖 1 不同負載下的差分電壓

在負載電阻由45Ω不斷增大到66Ω時，節點的輸出差分電壓也隨著由1.84V增大到2.16V，兩者近似線性關系。為了使發送節點的輸出差分電壓不至于過低，實際組網時負載電阻應在圖 1測試的范圍內波動。我們分析RL的組成有3個：終端電阻、總線節點的差分輸入電阻、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，當總線距離長時，總線有效電阻大，損耗大，可以適當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中規定的收發器差分輸入電阻范圍為10kΩ~100kΩ之間，CTM1051M系列收發器的差分輸入電阻為19kΩ~52kΩ，其典型值為30 kΩ，如果我們以最多節點組網，按典型值考慮，則整個總線的差分輸入電阻會達到30 kΩ/110=273Ω，與終端電阻并聯時會顯著增加節點的負載。

總線有效電阻：使用較小截面積的雙絞線，其有效電阻達到幾十歐姆，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。嚴重時會使接收點的電平達不到識別范圍。

差分電壓除負載電阻的影響外，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）接收節點的識別電平

接收節點有一定的電平識別范圍，CTM1051M的CAN接口典型參數如表 1所示。節點輸入顯性電平應大于0.9V。ISO 11898中，總線上的任意點的最小電平應大于1.2V，組網時我們應使差分電壓大于此值。

表 1 CAN接口典型參數

2.實際組網分析

目前收發器的最大組網節點數為110個，組網時我們考慮以上的電阻參數，確?？偩€上的差分電壓在合理的范圍內即可。

圖 3為CTM1051M推薦的組網拓撲，我們要考慮總線電阻，終端電阻，發送點，接收點電壓參數。畫出其等效電路如圖 4所示。

圖 3 CTM1051M推薦組網

圖 4 CTM1051M組網等效電路

根據等效電路，我們可以調整的參數有終端電阻RT、發送節點電壓VOUT、總線有效電阻RW。

圖 4中，各節點的RW、RIN難以準確確定，組網時以公式計算較為繁瑣，簡便的方法便是測量總線兩端的節點電壓。如網絡的總線電阻過大時，節點1到節點n總線對信號的損耗會很大，當節點n接收的差分電壓低于1.2V時，需要增大終端電阻。

在使用浪涌抑制器的場合，比如在圖 4的節點1和節點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，當節點1收到的電壓過低時可通過減小總線有效電阻，提高節點1處的終端電阻來彌補浪涌抑制器帶來的損耗。

3.總結

無論總線網絡長短，網絡兩端都需要加終端電阻;

通訊距離長時，適當增加終端電阻值，減少總線電阻對信號的衰減，如150Ω~300Ω;

有強烈干擾的場合使用屏蔽雙絞線，屏蔽層單點接大地;

收發器CAN接口輸出的差分電平會隨著供電電壓的變化而變化，應確保供電電壓在手冊規定范圍內。

4.新一代高可靠性CAN-bus隔離收發器模塊

在戶外或其他復雜的工業現場環境，除了要使用CAN總線隔離收發器進行信號隔離傳輸，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的影響。針對這類惡劣的應用環境，致遠電子推出新一代高防護等級隔離CAN收發器CTM1051HP，在普通的隔離收發器基礎上集合了總線保護器的功能，可有效避免雷擊、浪涌、過壓對CAN總線產生的影響，大大加強總線的可靠性。且CTM1051HP與常規CAN隔離收發器相比體積不變，可廣泛應用于各類高體積要求或緊湊型產品中，亦可作為現有CAN隔離收發電路的優化方案。