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什么是 CAN 总线:概念、优势和抗干扰要素

发布人:电子资料库时间:2022-09-22来源:工程师
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概括

本文主要介绍CAN总线的概念、优点和抗干扰要素。实际上,CAN总线在我们日常生活的各个领域都有应用,并且已经成为国际标准。现在,让我们得到它!


目录

一 、CAN总线定义

二、CAN总线的优势

2.1 网络节点之间的实时数据通信

2.2 开发周期短

2.3 形成国际标准

2.4 最有前途的现场总线之一

三、CAN总线抗干扰六大标准

3.1 CAN总线接口的隔离与保护

3.2 提高CAN总线的扭曲度

3.3 保证屏蔽效果和正确接地

3.4 使 CAN 总线远离干扰源

3.5 添加磁环或共模电感

3.6 CAN总线转光纤传输

四、常见问题


一、CAN总线定义

控制器局域网(CAN 总线)是一种强大的车辆总线标准,旨在允许微控制器和设备在没有主机的应用中相互通信。它是一种基于消息的协议,最初设计用于汽车内的多路电气布线以节省铜线,但也用于许多其他环境。

CAN总线由以开发和生产汽车电子产品而闻名的德国BOSCH公司开发,最终成为国际标准(ISO 11898),成为世界上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧,CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线,还有以CAN为底层协议的专为大型卡车和重型机械车辆设计的J1939协议。


二、CAN总线的优势

CAN属于现场总线,是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。与众多基于R-line的RS-485集散控制系统相比,基于CAN总线的集散控制系统在以下几个方面具有明显优势:

2.1 网络节点之间的实时数据通信

首先,CAN控制器的工作方式多种多样,每个网络节点都可以使用逐位仲裁的无损结构根据总线访问优先级(取决于消息标识符)竞争向总线发送数据。CAN协议取消了****编码,取而代之的是对通信数据进行编码,可以使不同的节点同时接收相同的数据。并且废除了CAN协议。

这些特点使得由CAN总线组成的网络节点之间的数据通信是实时的,易于构建冗余结构,提高系统可靠性和系统灵活性。但是,使用RS-485只能构成主从结构系统,通信方式只能以主站轮询的方式进行。系统的实时性和可靠性较差。

2.2 开发周期短

CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL连接到物理总线,而CANH端的状态只能是高电平或挂起状态,CANL端只能是低电平或暂停状态。这样就保证了RS-485网络中不会出现当系统出现错误,多个节点同时向总线发送数据时,总线短路,从而导致部分节点损坏的情况。

而且CAN节点具有在出现严重错误时自动关闭输出的功能,从而不影响总线上其他节点的运行,确保总线不会因为出现问题而出现“死锁”状态与网络中的单个节点。而且,通过CAN控制器芯片及其接口芯片可以实现完善的CAN通信协议,大大降低了系统开发的难度,缩短了开发周期,这是RS-485仅采用电气协议所无法比拟的。

2.3 形成国际标准

与其他总线相比,CAN总线是一种国际标准的现场总线,具有通信速度快、易于实现、性价比高等特点。这些也是CAN总线应用在众多领域并具有强大市场竞争力的重要原因。

2.4 最有前途的现场总线之一

CAN是控制器的局域网,属于工业现场总线。与一般的通信总线相比,CAN总线在数据通信方面具有突出的可靠性、实时性和灵活性等特点。由于其良好的性能和独特的设计,CAN总线越来越受到重视。CAN总线在汽车领域得到广泛应用,一些著名的汽车制造商用它来实现内部控制系统和检测执行机构之间的数据通信。

同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围不再局限于汽车行业,而是自动控制、机器人等。CAN 已成为国际标准,并被公认为最有前途的现场总线之一。其典型应用协议有:SAE J1939 / ISO 11783 / CAN Open、CAN Aerospacea DeviceNet、NMEA 2000等。


三、CAN总线抗干扰六大标准

随着CAN总线在电动汽车、充电桩、电力电子、轨道交通等电磁环境中的应用越来越多,信号干扰问题已经严重影响了用户对CAN总线的信任。我们究竟如何抗拒干扰?本文展示了CAN总线抗干扰的6个关键规则。

在汽油车时代,CAN总线遇到的干扰很少,即使有一些继电器和电磁阀脉冲,也没什么区别,稍加扭曲处理就可以完全实现零错误帧。

但在电动汽车时代,逆变器、电机、充电器等大功率设备对CAN的影响足以中断通信或损坏CAN节点。图1&2为CAN波形的逆变器干扰。

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Fig.1&2 Before 界面 & After 界面

面对干扰,汽车厂、零部件厂、测试诊断设备制造商一直在研究抗干扰的“妙方”,以保证CAN的稳定运行。本文结合某电子公司15年CAN现场故障排除经验,介绍了抗干扰的6条铁律。

3.1 CAN总线接口的隔离与保护

干扰不仅会影响信号,还会导致电路板死机或烧毁,所以接口和电源的隔离是抗干扰的第一条铁律。隔离的主要目的是避免接地回流烧毁电路板,限制干扰幅度,防止控制器死机。

如图所示。3、接口和电源不隔离时,两个节点的地电位不一致,有回流电流,产生共模信号。CAN的抗共模干扰能力为-12~7V,如果共模差超过这个值就会断线。如果共模差超过±36V,就会烧毁收发器或电路板。

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图3 未隔离时的接地回路电流

如图4和图5所示,电路增加了CTM1051KAT隔离模块,隔离地回路电流,限制干扰幅值。

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图 4 CTM1051KAT 隔离模块

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图5 隔离地返回电流的影响

添加隔离后,一切都会完美吗?肯定不行,隔离只是阻隔,如果干扰强度大,比如达到2KV浪涌,隔离也可以被打破。因此,要达到更高级别的保护,必须增加浪涌电路。图6为高速总线标准抗浪涌电路。


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图6 信号保护电路

这种保护电路可以达到4KV浪涌而不会损坏,但需要注意的是:要通过2500VDC耐压测试,需要去除GDT和R3,防止高压击穿它们,导致测试失败。

3.2 提高CAN总线的扭曲度

为了提高抗干扰能力,CAN总线采用CANH和CANL差分传输,如图7所示,其作用是在遇到干扰时保持CANH-CANL的差值不变。

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图7 差分抗干扰示意图

但是,这种抗干扰能力有一个前提:CANH和CANL必须紧靠在一起,否则干扰强度不同,导致差分信号受到干扰。因此,CANH 和 CANL 应该紧紧地扭在一起。通常双绞线只有33股/米,但在强干扰的情况下,只有绞合度大于55才能抗干扰效果更好。

另外,电缆的芯线截面积应大于0.35g~0.5 mm2,CAN_H到CAN_L的线间电容应小于75 pF/m。 CAN_H(或CAN_L)到屏蔽层的电容小于110 pF/m,可以更好地降低电缆的阻抗,从而降低抖动电压的幅度。

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图8 双绞线

3.3 保证屏蔽效果和正确接地

带有屏蔽层的CAN总线可以很好的抵抗电场的干扰。整个屏蔽层相当于一个等电位体,避免了CAN总线的干扰。如图9所示,CANH和CANL通过铝箔和无氧铜线屏蔽网缠绕成标准屏蔽双绞线。需要注意的是,在总线和插件之间的连接中,允许使用小于 25mm 的线缆解开。

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图9 屏蔽双绞线

较好的CAN屏蔽线有两层屏蔽层,称为双层屏蔽线,其中内层CAN_GND接CAN收发器,外层屏蔽接地。内层可以平衡信号的地电位,抑制共模干扰,减少误帧,但干扰强时接收机损坏率会增加。外层可以向大地释放电荷,如图10所示。

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图 10 双屏蔽线

在屏蔽良好接地之前,屏蔽线将不起作用。所以我们必须选择一种接地方式。一般来说,单点接地可以避免接地回流(不同位置地电位不同引起),多点接地可以加快高频干扰信号的释放。因此,有必要根据实际情况选择合适的接地方式。

在CAN的应用中,由于距离一般较远,屏蔽层大多采用单点接地,在干线中找一个点直接用导线接地,该点应是干扰最小的点,且位置靠近网络的中心。

3.4 使 CAN 总线远离干扰源

远离干扰源是最简单的抗干扰方法。如果CAN总线与强电干扰源的距离大于0.5m,则干扰无影响。但是在实际布线中,经常会遇到空间太小,不能混入强电的can总线。图11是新能源汽车的驱动系统,CAN总线和驱动线混在一起,干扰很大。

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图 11 接线问题

要解决这个问题,我们只能保证强电和弱电分开捆扎,远离。

3.5 添加磁环或共模电感

使用抗干扰磁环是为了削弱特定频率的干扰影响。如图12所示,为了增加磁环的效果,CAN差分电缆可以加两根或单头。

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图12 添加磁环

磁环的作用可以大大降低特定频率的干扰强度。添加磁环前,需要通过CANScope或示波器FFT测试最高干扰频率,然后与厂家定制相应频率的磁环。图 13 显示了添加磁环前后的结果。可以看出,干扰强度发生了明显的变化。

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图13 添加磁环后的效果

需要注意的是,不能随意添加磁环或共模电感。如果自适应频率不正确,会影响正常的信号通信。

3.6 CAN总线转光纤传输

抗干扰的最终措施是将CAN总线转换成光纤,光纤是一种不受电磁干扰的传输介质。如果前五种抗干扰方法都不能解决干扰问题,可以将CAN总线转换成光纤,做到“无懈可击”。图14为CANHub-AF1S1和CANHub-AF2S2组成的光纤骨干网。

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图14 使用光纤转换器的光纤骨干传输


四、常见问题

1.什么是CAN总线?

控制器局域网 (CAN 总线) 是一种强大的车辆总线标准,旨在允许微控制器和设备在没有主机的情况下与彼此的应用程序进行通信。

2. 总线如何工作?

CAN 总线系统使每个 ECU 能够与所有其他 ECU 通信——无需复杂的专用布线。具体来说,ECU 可以通过 CAN 总线(由两条线,CAN 低和 CAN 高)准备和广播信息(例如传感器数据)。

3、如何判断汽车是否是CAN总线?

如果车辆在灯泡熄灭时向您发出警告,则它配备了 CAN 总线。最简单的方法是联系车辆的供应商或经销商。如果您仍然不确定,我们通常会告诉客户移除灯并驾驶车辆,看看它是否发出警告。

4、CAN总线频率?

使用的最大信号频率为 1 Mbit/sec (CAN 2.0),15 Mbits/sec (CAN FD) 长度取决于 CAN 2.0 领域中遇到的比特率典型值。

5. CAN 总线对地短路?

短路和开路:由于差分总线的特性,CAN 控制器将容忍两条线路之一对地短路。它不能容忍对地或彼此短路的两条 CAN 总线线。它可以容忍其中一根 CAN 线路断开或断开。

6. CAN 总线接线为什么会扭曲?

导线是绞合的,因为导线上传输的信号是通过对两根导线的测量得出的,因此当导线绞合在一起时,它们都会受到相同的干扰,并且出现差异的机会大大减少。

7、CAN总线需要接地吗?

它不仅是必要的,而且也是 CAN 标准所要求的。毋庸置疑,两个电子设备之间需要某种共同的参考基准,否则如果它们尝试进行通信,则所有****注都将失败。

8、CAN总线噪音?

CAN 总线不使用地作为这两条信号线的参考点。因此,CAN 总线传输线不受汽车应用中通常存在的任何接地噪声的影响。两条 CAN 线路上的信号都将受到相同的电磁场水平。

9. CAN 总线是否应该隔离?

如果您的设备将总线保持在非空闲状态,它将阻止所有其他设备使用它(或者更准确地说,它的那一段)。...如果没有电流隔离,您可能会面临损坏 CAN 总线上所有设备的风险,这意味着您的汽车正在前往垃圾场的路上,并且 PC 已连接。

10、CAN总线电压过低?

如果 CAN 电压测试显示来自设备的低电压,您可以通过测量对地电阻来验证 CAN 端口是否损坏。闪电或焊接造成的损坏通常会导致一条或两条 CAN 线路对地短路。从设备上拔下连接器。


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关键词: CAN总线

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