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。今天我們就來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。
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
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,確保總線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。
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無論總線網絡長短,網絡兩端都需要加終端電阻;
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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;
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有強烈干擾的場合使用屏蔽雙絞線,屏蔽層單點接大地;
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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。
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。
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原文標題:CAN-bus應用筆記:節點篇
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