什么是 CAN 總線：概念、優(yōu)勢和抗干擾要素

本文主要介紹CAN總線的概念、優(yōu)點(diǎn)和抗干擾要素。實際上，CAN總線在我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域都有應(yīng)用，并且已經(jīng)成為國際標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在，讓我們得到它！

控制器局域網(wǎng)（CAN 總線）是一種強(qiáng)大的車輛總線標(biāo)準(zhǔn)，旨在允許微控制器和設(shè)備在沒有主機(jī)的應(yīng)用中相互通信。它是一種基于消息的協(xié)議，最初設(shè)計用于汽車內(nèi)的多路電氣布線以節(jié)省銅線，但也用于許多其他環(huán)境。

CAN總線由以開發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品而聞名的德國BOSCH公司開發(fā)，最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11898），成為世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，還有以CAN為底層協(xié)議的專為大型卡車和重型機(jī)械車輛設(shè)計的J1939協(xié)議。

CAN屬于現(xiàn)場總線，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。與眾多基于R-line的RS-485集散控制系統(tǒng)相比，基于CAN總線的集散控制系統(tǒng)在以下幾個方面具有明顯優(yōu)勢：

首先，CAN控制器的工作方式多種多樣，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可以使用逐位仲裁的無損結(jié)構(gòu)根據(jù)總線訪問優(yōu)先級（取決于消息標(biāo)識符）競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN協(xié)議取消了****編碼，取而代之的是對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，可以使不同的節(jié)點(diǎn)同時接收相同的數(shù)據(jù)。并且廢除了CAN協(xié)議。

這些特點(diǎn)使得由CAN總線組成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信是實時的，易于構(gòu)建冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性和系統(tǒng)靈活性。但是，使用RS-485只能構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式只能以主站輪詢的方式進(jìn)行。系統(tǒng)的實時性和可靠性較差。

CAN總線通過CAN收發(fā)器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL連接到物理總線，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或掛起狀態(tài)，CANL端只能是低電平或暫停狀態(tài)。這樣就保證了RS-485網(wǎng)絡(luò)中不會出現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤，多個節(jié)點(diǎn)同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線短路，從而導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)損壞的情況。

而且CAN節(jié)點(diǎn)具有在出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤時自動關(guān)閉輸出的功能，從而不影響總線上其他節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行，確保總線不會因為出現(xiàn)問題而出現(xiàn)“死鎖”狀態(tài)與網(wǎng)絡(luò)中的單個節(jié)點(diǎn)。而且，通過CAN控制器芯片及其接口芯片可以實現(xiàn)完善的CAN通信協(xié)議，大大降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度，縮短了開發(fā)周期，這是RS-485僅采用電氣協(xié)議所無法比擬的。

與其他總線相比，CAN總線是一種國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線，具有通信速度快、易于實現(xiàn)、性價比高等特點(diǎn)。這些也是CAN總線應(yīng)用在眾多領(lǐng)域并具有強(qiáng)大市場競爭力的重要原因。

CAN是控制器的局域網(wǎng)，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線。與一般的通信總線相比，CAN總線在數(shù)據(jù)通信方面具有突出的可靠性、實時性和靈活性等特點(diǎn)。由于其良好的性能和獨(dú)特的設(shè)計，CAN總線越來越受到重視。CAN總線在汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，一些著名的汽車制造商用它來實現(xiàn)內(nèi)部控制系統(tǒng)和檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。

同時，由于CAN總線本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍不再局限于汽車行業(yè)，而是自動控制、機(jī)器人等。CAN 已成為國際標(biāo)準(zhǔn)，并被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一。其典型應(yīng)用協(xié)議有：SAE J1939 / ISO 11783 / CAN Open、CAN Aerospacea DeviceNet、NMEA 2000等。

隨著CAN總線在電動汽車、充電樁、電力電子、軌道交通等電磁環(huán)境中的應(yīng)用越來越多，信號干擾問題已經(jīng)嚴(yán)重影響了用戶對CAN總線的信任。我們究竟如何抗拒干擾？本文展示了CAN總線抗干擾的6個關(guān)鍵規(guī)則。

在汽油車時代，CAN總線遇到的干擾很少，即使有一些繼電器和電磁閥脈沖，也沒什么區(qū)別，稍加扭曲處理就可以完全實現(xiàn)零錯誤幀。

但在電動汽車時代，逆變器、電機(jī)、充電器等大功率設(shè)備對CAN的影響足以中斷通信或損壞CAN節(jié)點(diǎn)。圖1&2為CAN波形的逆變器干擾。

Fig.1&2 Before 界面 & After 界面

面對干擾，汽車廠、零部件廠、測試診斷設(shè)備制造商一直在研究抗干擾的“妙方”，以保證CAN的穩(wěn)定運(yùn)行。本文結(jié)合某電子公司15年CAN現(xiàn)場故障排除經(jīng)驗，介紹了抗干擾的6條鐵律。

干擾不僅會影響信號，還會導(dǎo)致電路板死機(jī)或燒毀，所以接口和電源的隔離是抗干擾的第一條鐵律。隔離的主要目的是避免接地回流燒毀電路板，限制干擾幅度，防止控制器死機(jī)。

如圖所示。3、接口和電源不隔離時，兩個節(jié)點(diǎn)的地電位不一致，有回流電流，產(chǎn)生共模信號。CAN的抗共模干擾能力為-12~7V，如果共模差超過這個值就會斷線。如果共模差超過±36V，就會燒毀收發(fā)器或電路板。

圖3 未隔離時的接地回路電流

如圖4和圖5所示，電路增加了CTM1051KAT隔離模塊，隔離地回路電流，限制干擾幅值。

圖 4 CTM1051KAT 隔離模塊

圖5 隔離地返回電流的影響

添加隔離后，一切都會完美嗎？肯定不行，隔離只是阻隔，如果干擾強(qiáng)度大，比如達(dá)到2KV浪涌，隔離也可以被打破。因此，要達(dá)到更高級別的保護(hù)，必須增加浪涌電路。圖6為高速總線標(biāo)準(zhǔn)抗浪涌電路。

圖6 信號保護(hù)電路

這種保護(hù)電路可以達(dá)到4KV浪涌而不會損壞，但需要注意的是：要通過2500VDC耐壓測試，需要去除GDT和R3，防止高壓擊穿它們，導(dǎo)致測試失敗。

為了提高抗干擾能力，CAN總線采用CANH和CANL差分傳輸，如圖7所示，其作用是在遇到干擾時保持CANH-CANL的差值不變。

圖7 差分抗干擾示意圖

但是，這種抗干擾能力有一個前提：CANH和CANL必須緊靠在一起，否則干擾強(qiáng)度不同，導(dǎo)致差分信號受到干擾。因此，CANH 和 CANL 應(yīng)該緊緊地扭在一起。通常雙絞線只有33股/米，但在強(qiáng)干擾的情況下，只有絞合度大于55才能抗干擾效果更好。

另外，電纜的芯線截面積應(yīng)大于0.35g~0.5 mm2，CAN_H到CAN_L的線間電容應(yīng)小于75 pF/m。 CAN_H（或CAN_L）到屏蔽層的電容小于110 pF/m，可以更好地降低電纜的阻抗，從而降低抖動電壓的幅度。

圖8 雙絞線

帶有屏蔽層的CAN總線可以很好的抵抗電場的干擾。整個屏蔽層相當(dāng)于一個等電位體，避免了CAN總線的干擾。如圖9所示，CANH和CANL通過鋁箔和無氧銅線屏蔽網(wǎng)纏繞成標(biāo)準(zhǔn)屏蔽雙絞線。需要注意的是，在總線和插件之間的連接中，允許使用小于 25mm 的線纜解開。

圖9 屏蔽雙絞線

較好的CAN屏蔽線有兩層屏蔽層，稱為雙層屏蔽線，其中內(nèi)層CAN_GND接CAN收發(fā)器，外層屏蔽接地。內(nèi)層可以平衡信號的地電位，抑制共模干擾，減少誤幀，但干擾強(qiáng)時接收機(jī)損壞率會增加。外層可以向大地釋放電荷，如圖10所示。

圖 10 雙屏蔽線

在屏蔽良好接地之前，屏蔽線將不起作用。所以我們必須選擇一種接地方式。一般來說，單點(diǎn)接地可以避免接地回流（不同位置地電位不同引起），多點(diǎn)接地可以加快高頻干擾信號的釋放。因此，有必要根據(jù)實際情況選擇合適的接地方式。

在CAN的應(yīng)用中，由于距離一般較遠(yuǎn)，屏蔽層大多采用單點(diǎn)接地，在干線中找一個點(diǎn)直接用導(dǎo)線接地，該點(diǎn)應(yīng)是干擾最小的點(diǎn)，且位置靠近網(wǎng)絡(luò)的中心。

遠(yuǎn)離干擾源是最簡單的抗干擾方法。如果CAN總線與強(qiáng)電干擾源的距離大于0.5m，則干擾無影響。但是在實際布線中，經(jīng)常會遇到空間太小，不能混入強(qiáng)電的can總線。圖11是新能源汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，CAN總線和驅(qū)動線混在一起，干擾很大。

圖 11 接線問題

要解決這個問題，我們只能保證強(qiáng)電和弱電分開捆扎，遠(yuǎn)離。

使用抗干擾磁環(huán)是為了削弱特定頻率的干擾影響。如圖12所示，為了增加磁環(huán)的效果，CAN差分電纜可以加兩根或單頭。

圖12 添加磁環(huán)

磁環(huán)的作用可以大大降低特定頻率的干擾強(qiáng)度。添加磁環(huán)前，需要通過CANScope或示波器FFT測試最高干擾頻率，然后與廠家定制相應(yīng)頻率的磁環(huán)。圖 13 顯示了添加磁環(huán)前后的結(jié)果。可以看出，干擾強(qiáng)度發(fā)生了明顯的變化。

圖13 添加磁環(huán)后的效果

需要注意的是，不能隨意添加磁環(huán)或共模電感。如果自適應(yīng)頻率不正確，會影響正常的信號通信。

抗干擾的最終措施是將CAN總線轉(zhuǎn)換成光纖，光纖是一種不受電磁干擾的傳輸介質(zhì)。如果前五種抗干擾方法都不能解決干擾問題，可以將CAN總線轉(zhuǎn)換成光纖，做到“無懈可擊”。圖14為CANHub-AF1S1和CANHub-AF2S2組成的光纖骨干網(wǎng)。

圖14 使用光纖轉(zhuǎn)換器的光纖骨干傳輸

1.什么是CAN總線？

控制器局域網(wǎng) (CAN 總線) 是一種強(qiáng)大的車輛總線標(biāo)準(zhǔn)，旨在允許微控制器和設(shè)備在沒有主機(jī)的情況下與彼此的應(yīng)用程序進(jìn)行通信。

2. 總線如何工作？

CAN 總線系統(tǒng)使每個 ECU 能夠與所有其他 ECU 通信——無需復(fù)雜的專用布線。具體來說，ECU 可以通過 CAN 總線（由兩條線，CAN 低和 CAN 高）準(zhǔn)備和廣播信息（例如傳感器數(shù)據(jù)）。

3、如何判斷汽車是否是CAN總線？

如果車輛在燈泡熄滅時向您發(fā)出警告，則它配備了 CAN 總線。最簡單的方法是聯(lián)系車輛的供應(yīng)商或經(jīng)銷商。如果您仍然不確定，我們通常會告訴客戶移除燈并駕駛車輛，看看它是否發(fā)出警告。

4、CAN總線頻率？

使用的最大信號頻率為 1 Mbit/sec (CAN 2.0)，15 Mbits/sec (CAN FD) 長度取決于 CAN 2.0 領(lǐng)域中遇到的比特率典型值。

5. CAN 總線對地短路？

短路和開路：由于差分總線的特性，CAN 控制器將容忍兩條線路之一對地短路。它不能容忍對地或彼此短路的兩條 CAN 總線線。它可以容忍其中一根 CAN 線路斷開或斷開。

6. CAN 總線接線為什么會扭曲？

導(dǎo)線是絞合的，因為導(dǎo)線上傳輸?shù)男盘柺峭ㄟ^對兩根導(dǎo)線的測量得出的，因此當(dāng)導(dǎo)線絞合在一起時，它們都會受到相同的干擾，并且出現(xiàn)差異的機(jī)會大大減少。

7、CAN總線需要接地嗎？

它不僅是必要的，而且也是 CAN 標(biāo)準(zhǔn)所要求的。毋庸置疑，兩個電子設(shè)備之間需要某種共同的參考基準(zhǔn)，否則如果它們嘗試進(jìn)行通信，則所有****注都將失敗。

8、CAN總線噪音？

CAN 總線不使用地作為這兩條信號線的參考點(diǎn)。因此，CAN 總線傳輸線不受汽車應(yīng)用中通常存在的任何接地噪聲的影響。兩條 CAN 線路上的信號都將受到相同的電磁場水平。

9. CAN 總線是否應(yīng)該隔離？

如果您的設(shè)備將總線保持在非空閑狀態(tài)，它將阻止所有其他設(shè)備使用它（或者更準(zhǔn)確地說，它的那一段）。...如果沒有電流隔離，您可能會面臨損壞 CAN 總線上所有設(shè)備的風(fēng)險，這意味著您的汽車正在前往垃圾場的路上，并且 PC 已連接。

10、CAN總線電壓過低？

如果 CAN 電壓測試顯示來自設(shè)備的低電壓，您可以通過測量對地電阻來驗證 CAN 端口是否損壞。閃電或焊接造成的損壞通常會導(dǎo)致一條或兩條 CAN 線路對地短路。從設(shè)備上拔下連接器。