什么是CAN總線？-3

在本文中將繼續(xù)為大家深入講解電纜截面積與通訊距離，波特率、終端匹配電阻與通訊距離，信號(hào)延遲與通訊距離和節(jié)點(diǎn)最小間距。

電纜截面積與通訊距離

電纜截面積對(duì)通訊距離影響很大，特別是遠(yuǎn)距離通訊。遠(yuǎn)距離傳輸線上的分布電容、分布電感和直流參數(shù)會(huì)引起信號(hào)衰減。

很多CAN通訊應(yīng)用都具有距離遠(yuǎn)、波特率低的特性。這種情況下，傳輸電纜的直流電阻對(duì)傳輸距離影響非常大，因?yàn)檫@個(gè)直流電阻會(huì)和終端匹配電阻分壓。

△傳輸電纜直流電阻分壓示意圖

注意：圖中故意忽略了分布電容和分布電感的影響，因此傳輸?shù)牟ㄐ螞]有畸變。

如上圖所示：

1號(hào)節(jié)點(diǎn)與2號(hào)節(jié)點(diǎn)相隔5km，使用的傳輸電纜直流電阻12.8Ω/km，終端匹配電阻為124Ω；

1號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的波形差分電壓幅值為2V，經(jīng)過5km傳輸電纜到2號(hào)節(jié)點(diǎn)時(shí)，差分電壓幅值大約為1V，信號(hào)衰減了一半。

我們在一文讀懂CAN總線（二）中提到過：CAN總線上的差分電壓>0.9V才能被識(shí)別成顯性電平。而為了保證可靠的數(shù)據(jù)通訊，常用的經(jīng)驗(yàn)法則是：最末端節(jié)點(diǎn)差分電壓幅值不小于1.2V。

現(xiàn)在2號(hào)節(jié)點(diǎn)只有1V差分電壓，其可靠性已經(jīng)變得較低了。

對(duì)于雙絞線，假設(shè)其終端匹配電阻與電纜特性阻抗相同，則截面積與最大通訊距離之間的關(guān)系可參考下圖：

△截面積與最大通訊距離關(guān)系

為了把電纜直流電阻引起的電壓衰減降到最小，較大的終端電阻值（150~300歐姆）有助于增加總線長(zhǎng)度。

比如使用截面積為1.5 m㎡的雙絞線電纜，電纜特性阻抗為120Ω。傳輸波特率為5kpbs的數(shù)據(jù)時(shí)，使用120Ω的匹配電阻最遠(yuǎn)可以傳輸5km，但使用300Ω的匹配電阻則可以傳輸7km。

波特率、終端匹配電阻與通訊距離

通過上文我們已經(jīng)知道了傳輸線截面積與通訊距離的關(guān)系，下面將保持傳輸線截面積不變，查看其它參數(shù)對(duì)通訊距離的影響。

△波特率、終端匹配電阻和通訊距離關(guān)系圖

以截面積為1.5 m㎡屏蔽雙絞線為例，其波特率、終端匹配電阻與通訊距離的關(guān)系如上圖所示。

從其中可以看出，當(dāng)波特率較高時(shí)，其通訊距離有限。比如1Mbps，信號(hào)隔離后的CAN通訊距離大約為25~30米（大部分的實(shí)際項(xiàng)目中都會(huì)對(duì)CAN通訊模塊電氣隔離，隔離器件會(huì)降低通訊距離）。

所以波特率較低時(shí)并且將終端匹配電阻增大，可遠(yuǎn)距離通訊。比如5kbps、終端匹配電阻為390Ω時(shí)，通訊距離可達(dá)10km。

信號(hào)延遲與通訊距離

高波特率情況下，制約CAN通訊距離的，是信號(hào)延遲。信號(hào)經(jīng)過隔離光耦、傳輸電纜、ESD器件時(shí)，都會(huì)引起信號(hào)延遲。如果CAN的重同步也不足以彌補(bǔ)這個(gè)延遲，就會(huì)導(dǎo)致采樣錯(cuò)誤，最終CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤。

通過上圖（截面積為1.5 m㎡傳輸電纜的波特率、終端匹配電阻與通訊距離的關(guān)系圖）中，其中當(dāng)波特率為1Mbps時(shí)，通訊距離大約為30米。30米的通訊電纜，其傳輸損耗可以忽略不計(jì)，此時(shí)影響通訊距離的主要是信號(hào)延遲。

通常，傳輸電纜延時(shí)為5ns/m、高速光耦延時(shí)可達(dá)25ns、磁耦合隔離器件延遲3~5ns。

在CAN通訊系統(tǒng)中，一個(gè)優(yōu)良的延遲標(biāo)準(zhǔn)是：

t1_MAX<0.245×tBIT

其中：

t1_MAX：最大延遲時(shí)間
tBIT：位時(shí)間

以1Mbps為例，其位時(shí)間為1us，則t1_MAX < 0.245 × tBIT = 0.245 × 1us = 245ns。信號(hào)在1.5 m㎡傳輸電纜上傳輸49米就能達(dá)到這個(gè)延遲時(shí)間，另外再加上信號(hào)上升/下降沿時(shí)間以及隔離器件、ESD器件、PCB走線延時(shí)，實(shí)際項(xiàng)目中，1Mbps波特率在1.5 m㎡傳輸電纜上只能傳輸30米。

這也是為什么RS485波特率可以達(dá)到10Mbps甚至50Mbps，而CAN標(biāo)準(zhǔn)最大速率只有1Mbps的原因。

下圖為判定延遲的參考標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際項(xiàng)目中，推薦信號(hào)延遲處于良好一欄標(biāo)準(zhǔn)。

△最大延遲參考標(biāo)準(zhǔn)

節(jié)點(diǎn)最小間距

CAN總線是分布式參數(shù)電路，其電氣特性和響應(yīng)主要由沿物理介質(zhì)分布的電感和電容所決定。這里物理介質(zhì)包括連接電纜、連接器、終端和沿總線掛接的CAN設(shè)備。

空載情況下，傳輸電纜的特性阻抗近似為Z=√(L/C)，其中L為電纜單位長(zhǎng)度感抗，C為電纜單位長(zhǎng)度電容。

隨著負(fù)載的增加，傳輸線上的電容增加（負(fù)載電容、負(fù)載與總線連接線電容），傳輸電纜特性阻抗相比空載情況下變小。

△負(fù)載不均衡的CAN總線原理示意圖

如上圖，如果負(fù)載比較集中，則負(fù)載區(qū)傳輸電纜特性阻抗和空閑區(qū)電纜特性阻抗相差較大，從而會(huì)引起阻抗不匹配。

CAN總線阻抗不匹配會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射，再加上CAN的仲裁機(jī)制：在仲裁期間，兩個(gè)或更多個(gè)節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)發(fā)送多個(gè)顯性位。

在上圖中，當(dāng)開關(guān)S1在t=0時(shí)刻從顯性狀態(tài)切換到隱性狀態(tài)，CAN驅(qū)動(dòng)器差分輸出電壓為Vs，總線上的差分信號(hào)會(huì)由顯性狀態(tài)（Vs）變成穩(wěn)定的隱性狀態(tài)（0V）。這個(gè)信號(hào)波形會(huì)沿著總線向下傳播，到達(dá)總線的負(fù)載區(qū)時(shí)，阻抗不匹配引起的反射電壓將返回到源端。

負(fù)載與負(fù)載之間的最小安全距離d是設(shè)備集總負(fù)載電容CL和電纜的單位長(zhǎng)度分布電容C的函數(shù)，定義如下：

設(shè)備集總負(fù)載電容CL包括CAN收發(fā)器引腳、連接器、隔離器件、保護(hù)器件、印制電路板走線以及其它物理連線的電容總和。

下圖為最小CAN設(shè)備間距與截止電容的詳細(xì)關(guān)系圖：

△最小CAN設(shè)備間距

3.3V的CAN收發(fā)器一般能達(dá)到16pF電容，具體可以參考收發(fā)器數(shù)據(jù)手冊(cè)；印制板走線一般0.5pF~0.8pF/cm，這取決于電路板的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)；連接器和保護(hù)裝置（比如ESD器件）的電容值可能范圍會(huì)很大，具體要參考設(shè)備數(shù)據(jù)手冊(cè)；非屏蔽雙絞線介質(zhì)的分布電容大約在40pF/m~70pF/m。