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      影响CAN波形稳定的罪魁祸首—边沿台阶

      2019-04-18来源: ZLG立功科技·致远电子关键字:CAN  边沿台阶

      你了解CAN总线波形吗?你知道是什么因素造成CAN信号不稳定的吗?本文将带你探究影响CAN波形稳定的罪魁祸首——边沿台阶。


      阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间达到一种适合的搭配,阻抗匹配主要为了调整负载功率和抑制信号反射;然而,阻抗不匹配的现象在CAN总线网络中随处可见;如图1所?#33606;?#38459;抗不匹配的将造成7个现象,其中最受关注的为上升沿和下降沿的台阶;下文将针对边沿台阶的现象做详细介绍。


      image.png

       图1  阻抗不匹配波形


      解释边沿台阶是怎么出现的,如何消除,对总线有何影响;


      一、边沿台阶的源头


      在CAN总线的网络布局中,?#26234;?#25163;直线型拓扑是最理想最常规的布局;但是在?#23548;?#29616;场中,经常会出现分支的现象。这里重点提一下,在计算CAN总线长度的时候,分支(从收发器端至总线)长度也要加上。为此我们做了分支过长的实验,实验中CAN总线中有三个CAN节点,主干线长度为15米,其中一个节点的分支长度为1米,波特率为250k的情况下进?#22411;?#20449;。下图为实验的CAN波形图,明显可以看到上升沿和下降沿存在台阶现象,从而引起波特率变化,导致接?#25112;?#28857;采样出错(也称位宽错误)。


      image.png 


      所以,边沿台阶出现的源?#20998;?#35201;是CAN节点的分支,分支过长形成的反射就变强,将会导致位宽度失调的错误。ISO11898中只规定1M波特率下分支不超过0.3米,但是在其它情况下并没有做声明,这个便取决于现场工程师们的经验。


      二、消除边沿台阶


      边沿台阶是造成错误波形的罪魁祸首,那么该如何消除边沿台阶的现象呢?下文将从源头以及补救措施上分别介绍一些可靠有效的方法。


      1. 减少分支长度

      在CAN网络布局的根源上解决问题的方式就是减少CAN节点的分支长度,从而降低信号反射,保证位宽的稳定性。在?#40092;?#23454;验中,其它条件不变,只将分支长度减少为20cm;下图为CAN波形图,此时并没有看到边沿台阶的出现。由此可见,减少分支长度是消除边沿台阶的最直接方式。


      image.png

       

      2. 长分支上加?#23454;?#30005;阻

      在网络布局无法改变,分支引起的信号反射必须存在的情况下。最实用的方法就是在长分支末端加上电阻,消除信号反射。同样的在?#40092;?#23454;验中,在分支节点处加上一个200Ω的电阻,其它条件不变进?#22411;?#20449;实验。下图为实验的CAN波形图,此时可以看到边沿台阶已被消减,但是加了电阻之后差分电压变小,注意差分电压不得小于0.9V。这里值得一提的是:阻值大于500Ω的电阻吸收反射的能力很弱,所以在末端挂电阻的时候应小于500Ω。


      image.png 


      3. 缩短残端

      前面提到分支长度指的是从节点收发器至总线处的距离,在节点设计之初,应选择TTL远传方式,因为TTL电平不受CAN电容影响,所以收发器应靠近?#28044;?#25670;放,以减少分支残段的长度,建议控制在10cm以内,可以保证阻抗连续。


      TTL远传最直接的方式就是将CAN收发器紧挨着CAN主干线放置,这样就没有分支长度。光缆星型拓扑结构便是使用这种方式,如下图;CAN光纤收发器内置在盒子里面,使用TTL电平远传到另一个CAN光纤收发器,解决了节点随意变化问题(节点任意上下电或插拔)。


      image.png

       

      4. 消除负载集中

      在布局较复杂的CAN网络中,为了避免节点摆放集中导?#36335;?#23556;叠加,建议相邻节点的距离不得小于2cm,10m的电缆上所集中的设备最好不要超过4个,否则应加电容以吸收,并且此集中与下一个集中至少有10m的电缆距离。


      同样,在复杂网络布局中,分支过长且不等的网络,由于阻抗匹配困难,常使用集线器或中继器进行分支;集线器和中继器有独立的控制器和MCU,将每段形成独立的直线拓扑,如下图。


      image.png

       

      5. 屏蔽层分段接地

      屏蔽层多点接地需要注意接地点电位,避免地回流影响信号质量。若屏蔽层太长可以采用分?#32441;?#34109;,单点接地方法,如下图,就可以有效避免地回流的问题。


      image.png

       

      三、边沿一致性测试


      信号边沿是反映信号质量?#27809;?#30340;重要指标。若信号下降边沿变缓造成CAN信号波形一定程度的失真,导致收发器采样出错。参考主流车企的边沿测试,一般把边沿10%到90%所经历的时间作为边沿时间,仿真了DUT接入CAN网络时可能会受到的容抗影响,以使测量结果更具有?#23548;?#24847;义。分别在CANDT仿真的小电容、大电容负载的环?#24120;?#23545;DUT的边沿进行测量。


      ● 测试目的:分别在小电容和大电容负载下测量CANH、CANL及CANDIFF信号位上升或下降时间;

      ●  测试原理:测试原理如下图,DUT往总线正常传输数据?#20445;?#20256;输的数据帧是显性位和隐性位的序列,即传的数据中包含了上升、下降时间信息;


      image.png 


      四、CANDT


      ZLG致远电子发布的CANDT一致性测试系统可自动化完成CAN节点物理层、链路层及应用层一致性测试,是当前CAN总线测试领域唯一能够进?#22411;?#21892;的物理层自动化测试并导出报表的仪器设备。避免了人工测量统计的误差,同时配合自动化测试的方式,减少了测试时间的浪费,提高了测试的准确度,极大节约了人工成本。


      CANDT一致性测试系统基于CANScope底层分析能力,集成示波器、电源等必要设备,可覆盖主机厂CAN一致性测试标准,为主机厂及零部件企业建立CAN总线测试及保障体系。


      image.png


      关键字:CAN  边沿台阶

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