CAN總線波形中為什么ACK電平偏高？

CAN總線一直以實時性強、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強、數(shù)據(jù)保證到達(dá)等特點而廣泛應(yīng)用于高可靠性的場合。但常常在觀察CAN通信波形時，我們會發(fā)現(xiàn)差分電平在ACK段突然增高，這是什么原因?qū)е碌哪?？這里結(jié)合測試實例對ACK電平偏高的原因做簡單分析。

一、ACK簡介

ACK的作用：確認(rèn)一幀報文是否正常接收。

以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)椐幀為例，從結(jié)構(gòu)上看分成7段，分別為起始段、仲裁段、控制段、數(shù)椐段、CRC校驗段、ACK應(yīng)答段、幀結(jié)束段，如圖1所示：

圖1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)椐幀結(jié)構(gòu)

ACK段長度為2個位，包含應(yīng)答間隙（ACK SLOT）和應(yīng)答界定符（ACK DELIMITER）。在應(yīng)答場里，發(fā)送站發(fā)送兩個“隱性”位。當(dāng)接收器正確地接收到有效的報文，接收器就會在應(yīng)答間隙（ACK SLOT）期間（發(fā)送ACK信號）向發(fā)送器發(fā)送一“顯性”的位以示應(yīng)答。如圖2 （CANScope測試的ACK段波形圖）所示：

圖2 ACK應(yīng)答位結(jié)構(gòu)

應(yīng)答間隙：所有接收到匹配CRC序列（CRC SEQUENCE）的節(jié)點會在應(yīng)答間隙（ACK SLOT）期間用一“顯性”的位寫入發(fā)送器的“隱性”位來作出回答，由于CAN總線線與的原理，只要總線上有一個節(jié)點正確接收到數(shù)據(jù)，則ACK SLOT就會被填入顯性電平。

ACK界定符：ACK界定符是ACK場的第二個位，并且是一個必須為“隱性”的位。因此，應(yīng)答間隙（ACK SLOT）被兩個“隱性”的位所包圍，也就是CRC界定符（CRC DELIMITER）和ACK界定符（ACK DELIMITER）。

當(dāng)一個接收節(jié)點接收的幀起始到CRC段之間的內(nèi)容沒發(fā)生錯誤時，它將在ACK段發(fā)送一個顯性電平。 如圖3所示：

圖3 ACK應(yīng)答過程分析

二、CAN總線ACK電平偏高原因分析

以使用ZLG致遠(yuǎn)電子CANScope測試某電車CAN網(wǎng)絡(luò)為例，20多個CAN節(jié)點采樣手牽手方式組網(wǎng)，線兩端各接120歐電阻，通訊能夠正常，但差分信號波形應(yīng)答位電平偏高較多，如圖4所示，從CANScope的波形圖中可以清楚的看到ACK電平突增。

圖4 CAN數(shù)椐幀波形分析

CAN總線通信存在異常，ACK應(yīng)答有問題？——NO

分析如下：

首先，我們看一款CAN收發(fā)器的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，CANH、CANL連接總線。

圖5 CAN收發(fā)器的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

總線顯性時（邏輯為0），收發(fā)器內(nèi)部Q1、Q2導(dǎo)通，CANH、CANL之間產(chǎn)生壓差；隱性時（邏輯為1），Q1、Q2截止，CANH、CANL處于無源狀態(tài)，壓差為0。

按照標(biāo)準(zhǔn)，在總線輸出為顯性時，CANH=3.5V，CANL=1.5V，差分分電平：CANH-CANL=2V，總線網(wǎng)絡(luò)電阻為60歐，流經(jīng)終端電阻的電流約為33mA（2V/60歐）；

然而，CAN收發(fā)器在輸出顯性時，CANH電平并不是標(biāo)準(zhǔn)的3.5V，而是5V（VCC）通過一個二極管降壓得到的，二極管的壓降由負(fù)載電流決定。圖6所示的VDH為CANH對應(yīng)的二極管壓降，VDL為CANL對于的二極管壓降，流過的電流越大，二極管的壓降就越大。可知：

CANH的電壓=5V-VDH????? CANL的電壓=0V+VDL

圖6 CAN收發(fā)器等效結(jié)構(gòu)

在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)一幀報文被各個節(jié)點接收時，在ACK階段，多個CAN節(jié)點同時響應(yīng)（都發(fā)顯性），流過終端電阻的電流被各個CAN節(jié)點均分，那么平均到每個節(jié)點的電流就減小了，如下圖所示，VDH、VDL的壓降也減小，相應(yīng)CANH-CANL的差分電壓就增大了，即ACK應(yīng)答電平偏高。

圖7 CAN網(wǎng)絡(luò)等效結(jié)構(gòu)

三、ACK的意義

當(dāng)CAN總線上只有一個節(jié)點可收發(fā)數(shù)據(jù)時，總線上因無接收節(jié)點在ACK SLOT時間內(nèi) 發(fā)送“顯性”位填充，而始終保持隱性，發(fā)送者會檢測到這個隱性位而知道發(fā)送失敗，此條報文需要重發(fā)。因此這個節(jié)點會一直重發(fā)數(shù)據(jù)直到發(fā)送成功或發(fā)送被取消。

當(dāng)總線上有多個CAN節(jié)點組網(wǎng)通信時，由于總線電平線與的原理，只要總線上有一個節(jié)點正確接收到數(shù)據(jù)，則ACK SLOT就會被填入顯性電平（此時認(rèn)為數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功）， 那么，接收錯誤的節(jié)點如何來告知發(fā)送者此次發(fā)送不成功呢？這就要用到CAN的錯誤幀，當(dāng)一個接收節(jié)點收到錯誤數(shù)據(jù)時，它立即廣播發(fā)送一個錯誤幀，其它的節(jié)點和發(fā)送者也都會收到這個錯誤幀而丟掉此次報文，發(fā)送節(jié)點重新發(fā)送，這才是ACK的意義。