CAN總線終端電阻

1 信號反射

  根據傳輸線原理,當信號在傳播中遇到阻抗不連續(如從傳輸線進入負載)即會產生反射波,反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀,造成信號的缺失或失真,影響通訊質量甚至無法正常通訊。

2 CAN信號的短距離傳輸

  考慮CAN通訊信號按圖2方向傳輸,信號以速度v向z方向傳播,傳播距離L,信號上升沿斜率k,上升沿時間ts。在無阻抗匹配情況下,反射信號回到輸出端的時延,單時延很小時,反射信號將被上升沿掩蓋,不會對通訊造成影響。一般認爲當信號時延小於ts的20%,信號的反射是可接受的,再考慮到CAN通訊實際上是CAN_H和CAN_L的差分,因此要求時延t   

3. CAN總線拓撲結構

  CAN高速標準ISO11898採用總線結構作爲網絡拓撲,在總線的兩端各接有一個終端電阻。然而,在實際情況中網絡拓撲並非嚴格的總線結構,有些節點具有一定的支線長度。另外,在某些應用中,從EMC的角度考慮,對終端網絡作一些調整效果可能會更好。下面簡單介紹各種總線拓撲結構的特點:

  (1)雙終端總線。標準的雙終端總線網絡拓撲結構,在總線的兩端分別接一個120Ω終端電阻,總線總阻值爲60Ω。該拓撲結構接線簡單,可靠性好,傳輸距離遠,是目前電梯上最常用的總線拓撲結構。

  (2)單終端總線。CAN總線匹配的最簡單方法就是在總線上並一個60Ω的終端電阻。這種拓撲下,總線電阻爲60Ω,阻抗匹配。但在這種拓撲結構中,很多節點實際上都不在總線而在支線上,其傳輸距離受限,這種拓撲結構的總線長度只有標準雙終端總線接法總線長度的50%。

  (3)分離總線。分離總線就是在雙終端總線的基礎上,將單個終端電阻分成兩個阻值相同的電阻,在兩電阻之間通過一個電容接地,如圖3所示。可以看出,分離總線並不改變總線的DC特性。分離總線有兩種接地方式:1)將兩個終端均採用分離形式並單獨接地。這種拓撲結構可以優化通訊的高頻性能。但是,將兩個終端電阻都接地以後,可能會通過地電流形成干擾性的迴路電流。在這種情況下可以考慮2)只將一個終端電阻接地,這種接法則在中頻到低頻的範圍內有更好的傳輸特性。這種總線結構接線複雜,一般只在特定情況下使用。

  (4)多終端總線。在某些應用場合,如需要額外增加一個分支時,需要採用不同於總線結構的拓撲結構。這時候的拓撲結構就類似於星型拓撲結構,在這種情況下,可以採用多終端接法。多終端結構就是把終端電阻(60Ω)分成兩個以上的電阻,總線上的電阻仍保證爲60Ω。圖4所示是3個分支的星形拓撲結構,在這種情況下,每個分支都可以看出一個終端,每個終端電阻180Ω。

  在這種拓撲結構下,如果去除其中一個終端,總線上的的阻抗將不再完全匹配。但是,在短距離傳輸情況下仍可以正常使用。因此,這種拓撲情況下,CAN總線通訊距離將遠小於雙終端拓撲結構。

  

  在終端電阻的匹配中,終端電阻一定要放置在最遠的兩端,如果其中一個放在中間位置,終端電阻外面的CAN收發器A1處於支路上,這將大大增加該節點的信號反射,進而影響總線通訊。

  應該注意,在上面的分析中,並沒有考慮線阻和節點阻抗對總線電阻的影響,在實際應用中,可以根據線長和節點個數對終端電阻進行微調,使CAN總線的總阻值儘量接近於60Ω。

  5 結語

  本文通過對傳輸線信號反射、CAN總線結構等的分析,初步探討了電梯CAN總線終端電阻配置的基本原理。CAN總線終端電阻的配置應遵循以下原則:

  (1)終端電阻的配置應達到CAN總線的阻抗匹配,應使總線間的電阻等於傳輸線的特性阻抗。目前一般在CAN總線兩端各加120Ω的電阻,如果要求更高的話,可以根據總線長度、節點數量對阻值進行微調,使總線間阻值儘量接近於60Ω;(2)兩個終端電阻應等值配置於線路相距最遠的兩個節點處;(3)節點到總線間的距離應儘量短,具體容許長度受信號頻率、線阻等因素的影響會有所不同。特別的,在外接診斷儀等臨時性設備節點時,更應注意這點。

  總之,電梯CAN通訊終端電阻的配置是必不可少的,加大或減小阻值都將造成通訊不穩定甚至無法正常通訊。終端電阻的位置應使CAN總線間的總阻值儘量接近於傳輸線特性阻抗,線路未匹配部分的長度儘量短。

  CAN總線的干擾波

  現代汽車上使用CAN總線,它是一種“雙絞線”形式,分佈在各個不同電腦間,稱爲“控制器局域網總線”技術。使用CAN總線系統比傳統的佈線方式,大大簡化了線路的佈局,數據傳輸速度更高、更智能和更精確。

  CAN總線上傳輸的是高速信息數據流,猶如波浪一樣,一波一波的傳輸。人們發現信息數據流到達目的地或終端時,在其終端會發生反射,造成信息的干擾波,影響信息的正常傳輸。就如同海浪衝擊防波堤的海岸時,受到堅硬岩石的抵檔,會在海浪上疊加反射波,造成海浪的更大沖擊,也破壞原先傳輸的信息。

  如何減少信息數據流在電腦終端的反射呢?人們觀察海浪時發現,當海浪衝擊到沙灘上時,柔軟的沙灘就會吸收海浪而不會形成反射波。CAN總線上的高速信息數據流的反射波,能被什麼物品吸收呢?通過大量實驗發現,在總線的最遠端,只要並聯兩個電阻就可以了。

  can 端接電阻數量 can總線終端電阻位置

  圖一、CAN總線上的終端電阻是並聯的

  CAN總線上終端電阻是並聯在總線上的,將終端電阻放於較遠的電腦處,或單獨放置均是可以有效地吸收反射波的。在圖一上的兩終端阻值均爲120Ω,是並聯在CAN雙絞總線兩端的,所以測量CAN高低兩線間的電阻應爲60Ω。如果不是60Ω而是120,表示有一個終端電阻斷路了。如果CAN兩線間的電阻爲無穹大,表示兩個終端電阻都斷路了。若CAN兩線間的電阻爲零,則表示兩條高低總線連接在一起短路了。終端電阻一旦斷路,由於干擾波不能有效的被吸收,就會造成總線傳輸的信號不穩定,直接影響相關電腦的正常工作。

  can 端接電阻數量 can總線終端電阻位置

  圖二、終端電阻並聯在CAN雙絞總線兩端

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