CAN總線缺少終端電阻現(xiàn)象解析
[導(dǎo)讀]在進(jìn)行CAN總線通信前，應(yīng)保證正確的總線配置，比如終端電阻。它是影響總線通信的重要組件，下面我們不考慮信號(hào)的完整性，只從信號(hào)幅度和時(shí)間常數(shù)方面分析不加終端電阻時(shí)的影響。??終端電阻添加要求根據(jù)ISO11898-2對(duì)終端電阻的取值規(guī)定，必須在總線的首尾兩端各掛一個(gè)120Ω的終端電阻...
在進(jìn)行CAN總線通信前，應(yīng)保證正確的總線配置，比如終端電阻。它是影響總線通信的重要組件，下面我們不考慮信號(hào)的完整性，只從信號(hào)幅度和時(shí)間常數(shù)方面分析不加終端電阻時(shí)的影響。
??終端電阻添加要求根據(jù)ISO11898-2對(duì)終端電阻的取值規(guī)定，必須在總線的首尾兩端各掛一個(gè)120Ω的終端電阻，即總線上加60Ω的終端電阻，而中間節(jié)點(diǎn)則不需要掛終端電阻，如圖1所示。?圖1? 終端電阻
??不加終端電阻時(shí)的影響如圖2所示，假如我們按照ISO11898標(biāo)準(zhǔn)要求，使用CANScope測(cè)試時(shí)，加上60Ω的終端電阻，然后以250Kbps的波特率自發(fā)自收數(shù)據(jù)，可以看到報(bào)文可以正常發(fā)送，且關(guān)聯(lián)的波形也正常。?圖2?加終端電阻CANScope自發(fā)自收現(xiàn)象
假如CANScope在不加終端電阻的時(shí)候，以250Kbps的波特率自發(fā)自收數(shù)據(jù)，如圖3所示，發(fā)送的數(shù)據(jù)都是幀ID錯(cuò)誤，且關(guān)聯(lián)的波形也出現(xiàn)異常。?圖3?未加終端電阻CANScope自發(fā)自收現(xiàn)象
對(duì)于報(bào)文數(shù)據(jù)，從關(guān)聯(lián)的波形數(shù)據(jù)可以看到，上升沿沒有任何問(wèn)題，但是下降沿相對(duì)于加終端電阻的波形緩慢很多，一直未達(dá)到隱性狀態(tài)，這些是為什么呢？下面我們對(duì)其進(jìn)行一一的解析。1、為什么影響下降沿？眾所周知，CAN總線的傳輸方式是差分傳輸方式，而總線電平的判斷，就是CAN收發(fā)器根據(jù)CANH和CANL線纜之間的差分電壓（CANH-CANL）來(lái)判斷的，總線上傳輸?shù)碾娖叫盘?hào)只有兩種可能，一是顯性電平，二是隱性電平，其中顯性電平代表邏輯0，隱性電平代表邏輯1。
首先我們看一下CAN收發(fā)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖4所示：?圖4?CAN收發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
當(dāng)總線電平為顯性時(shí)，收發(fā)器內(nèi)部的Q1、Q2處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)CANH、CANL之間會(huì)產(chǎn)生壓差；當(dāng)總線電平為隱性時(shí)，收發(fā)器內(nèi)部的Q1、Q2處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)CANH、CANL處于無(wú)源狀態(tài)，壓差為0。所以當(dāng)隱性狀態(tài)變?yōu)轱@性狀態(tài)（上升沿）時(shí)，主要由收發(fā)器中的驅(qū)動(dòng)模塊作用，當(dāng)顯性狀態(tài)變?yōu)殡[性狀態(tài)（下降沿）時(shí)，是通過(guò)整條總線與終端電阻放電產(chǎn)生的，所以總線的終端電阻是影響下降沿緩慢程度的主要物理因素。2、下降沿為什么遲遲達(dá)不到隱性狀態(tài)？前面提到，下降沿緩慢程度，受終端電阻的影響，是如何影響的，那這就和時(shí)間常數(shù)τ有關(guān)系了。我們知道，時(shí)間常數(shù)可由電容（C）和負(fù)載電阻（R）確定，即τ=RC，所以當(dāng)總線上無(wú)終端電阻時(shí)，CANH和CANL之間的阻值很大，例如CANScope，在未加終端電阻時(shí)，測(cè)量的電阻值，約91KΩ左右，所以根據(jù)時(shí)間常數(shù)的公式，τ值會(huì)很大，所以無(wú)法快速消耗掉總線上寄生電容上的電能，從而導(dǎo)致下降沿緩慢，遲遲達(dá)不到隱性狀態(tài)。?圖5?RC電路
3、為什么會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤幀？如圖6所示，是圖3對(duì)應(yīng)的示波器截圖，從圖中看出，當(dāng)光標(biāo)區(qū)域的ΔX為一個(gè)位，即4us時(shí)，差分信號(hào)在光標(biāo)B處的電壓YB為3.341V，遠(yuǎn)高于CAN規(guī)范中的隱性電平判斷上限值0.5V，顯性電平判斷下限值0.9V，所以此時(shí)的位被判斷為顯性位，而又由于時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于250Kbps波特率下的位時(shí)間，所以會(huì)有超過(guò)5個(gè)位被判斷為顯性位，從而破壞了CAN規(guī)范中的填充規(guī)則，出現(xiàn)了幀ID填充錯(cuò)誤。?圖6?250Kbps波特率波形細(xì)節(jié)
為了加深對(duì)錯(cuò)誤幀產(chǎn)生原因的了解，我們舉一個(gè)反例，看位時(shí)間遠(yuǎn)大于無(wú)終端電阻情況下的時(shí)間常數(shù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象。
下面以CANScope不加終端電阻，波特率為10Kbps進(jìn)行自發(fā)自收為例，如圖7所示，CANScope報(bào)文列表中，無(wú)錯(cuò)誤幀產(chǎn)生。通過(guò)觀察同步的示波器截圖，如圖8所示，光標(biāo)區(qū)域ΔX為45.6us時(shí)，差分信號(hào)在光標(biāo)B處的電壓YB為0.4813V，又由于CANScope默認(rèn)的采樣點(diǎn)是75%在光標(biāo)區(qū)域之后，所以此時(shí)可正常判斷該位為隱性，從而不會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤幀的產(chǎn)生。?圖7?10Kbps波特率發(fā)送報(bào)文圖8?10Kbps波特率波形細(xì)節(jié)
??終端電阻添加的方法在使用CANScope作為測(cè)量設(shè)備時(shí)，除了用戶自己外部添加終端電阻的方法外，還可以通過(guò)軟件配置給被測(cè)節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)添加終端電阻，其添加的方法，會(huì)根據(jù)不同的PORT頭配件，選擇不同的配置方法。當(dāng)使用標(biāo)配件P8251T、P1040T時(shí)，勾選圖9中的啟用終端電阻，即可在總線上添加120Ω的終端電阻；當(dāng)選配件使用StressZ時(shí)，如圖10中的RHL，可根據(jù)需要設(shè)置對(duì)應(yīng)的終端電阻。?圖9 標(biāo)配件P8251T、P1040T終端電阻設(shè)置?圖10?選配件StressZ終端電阻設(shè)置
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??終端電阻添加要求根據(jù)ISO11898-2對(duì)終端電阻的取值規(guī)定，必須在總線的首尾兩端各掛一個(gè)120Ω的終端電阻，即總線上加60Ω的終端電阻，而中間節(jié)點(diǎn)則不需要掛終端電阻，如圖1所示。?圖1? 終端電阻
??不加終端電阻時(shí)的影響如圖2所示，假如我們按照ISO11898標(biāo)準(zhǔn)要求，使用CANScope測(cè)試時(shí)，加上60Ω的終端電阻，然后以250Kbps的波特率自發(fā)自收數(shù)據(jù)，可以看到報(bào)文可以正常發(fā)送，且關(guān)聯(lián)的波形也正常。?圖2?加終端電阻CANScope自發(fā)自收現(xiàn)象
假如CANScope在不加終端電阻的時(shí)候，以250Kbps的波特率自發(fā)自收數(shù)據(jù)，如圖3所示，發(fā)送的數(shù)據(jù)都是幀ID錯(cuò)誤，且關(guān)聯(lián)的波形也出現(xiàn)異常。?圖3?未加終端電阻CANScope自發(fā)自收現(xiàn)象
對(duì)于報(bào)文數(shù)據(jù)，從關(guān)聯(lián)的波形數(shù)據(jù)可以看到，上升沿沒有任何問(wèn)題，但是下降沿相對(duì)于加終端電阻的波形緩慢很多，一直未達(dá)到隱性狀態(tài)，這些是為什么呢？下面我們對(duì)其進(jìn)行一一的解析。1、為什么影響下降沿？眾所周知，CAN總線的傳輸方式是差分傳輸方式，而總線電平的判斷，就是CAN收發(fā)器根據(jù)CANH和CANL線纜之間的差分電壓（CANH-CANL）來(lái)判斷的，總線上傳輸?shù)碾娖叫盘?hào)只有兩種可能，一是顯性電平，二是隱性電平，其中顯性電平代表邏輯0，隱性電平代表邏輯1。
首先我們看一下CAN收發(fā)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖4所示：?圖4?CAN收發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
當(dāng)總線電平為顯性時(shí)，收發(fā)器內(nèi)部的Q1、Q2處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)CANH、CANL之間會(huì)產(chǎn)生壓差；當(dāng)總線電平為隱性時(shí)，收發(fā)器內(nèi)部的Q1、Q2處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)CANH、CANL處于無(wú)源狀態(tài)，壓差為0。所以當(dāng)隱性狀態(tài)變?yōu)轱@性狀態(tài)（上升沿）時(shí)，主要由收發(fā)器中的驅(qū)動(dòng)模塊作用，當(dāng)顯性狀態(tài)變?yōu)殡[性狀態(tài)（下降沿）時(shí)，是通過(guò)整條總線與終端電阻放電產(chǎn)生的，所以總線的終端電阻是影響下降沿緩慢程度的主要物理因素。2、下降沿為什么遲遲達(dá)不到隱性狀態(tài)？前面提到，下降沿緩慢程度，受終端電阻的影響，是如何影響的，那這就和時(shí)間常數(shù)τ有關(guān)系了。我們知道，時(shí)間常數(shù)可由電容（C）和負(fù)載電阻（R）確定，即τ=RC，所以當(dāng)總線上無(wú)終端電阻時(shí)，CANH和CANL之間的阻值很大，例如CANScope，在未加終端電阻時(shí)，測(cè)量的電阻值，約91KΩ左右，所以根據(jù)時(shí)間常數(shù)的公式，τ值會(huì)很大，所以無(wú)法快速消耗掉總線上寄生電容上的電能，從而導(dǎo)致下降沿緩慢，遲遲達(dá)不到隱性狀態(tài)。?圖5?RC電路
3、為什么會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤幀？如圖6所示，是圖3對(duì)應(yīng)的示波器截圖，從圖中看出，當(dāng)光標(biāo)區(qū)域的ΔX為一個(gè)位，即4us時(shí)，差分信號(hào)在光標(biāo)B處的電壓YB為3.341V，遠(yuǎn)高于CAN規(guī)范中的隱性電平判斷上限值0.5V，顯性電平判斷下限值0.9V，所以此時(shí)的位被判斷為顯性位，而又由于時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于250Kbps波特率下的位時(shí)間，所以會(huì)有超過(guò)5個(gè)位被判斷為顯性位，從而破壞了CAN規(guī)范中的填充規(guī)則，出現(xiàn)了幀ID填充錯(cuò)誤。?圖6?250Kbps波特率波形細(xì)節(jié)
為了加深對(duì)錯(cuò)誤幀產(chǎn)生原因的了解，我們舉一個(gè)反例，看位時(shí)間遠(yuǎn)大于無(wú)終端電阻情況下的時(shí)間常數(shù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象。
下面以CANScope不加終端電阻，波特率為10Kbps進(jìn)行自發(fā)自收為例，如圖7所示，CANScope報(bào)文列表中，無(wú)錯(cuò)誤幀產(chǎn)生。通過(guò)觀察同步的示波器截圖，如圖8所示，光標(biāo)區(qū)域ΔX為45.6us時(shí)，差分信號(hào)在光標(biāo)B處的電壓YB為0.4813V，又由于CANScope默認(rèn)的采樣點(diǎn)是75%在光標(biāo)區(qū)域之后，所以此時(shí)可正常判斷該位為隱性，從而不會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤幀的產(chǎn)生。?圖7?10Kbps波特率發(fā)送報(bào)文圖8?10Kbps波特率波形細(xì)節(jié)
??終端電阻添加的方法在使用CANScope作為測(cè)量設(shè)備時(shí)，除了用戶自己外部添加終端電阻的方法外，還可以通過(guò)軟件配置給被測(cè)節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)添加終端電阻，其添加的方法，會(huì)根據(jù)不同的PORT頭配件，選擇不同的配置方法。當(dāng)使用標(biāo)配件P8251T、P1040T時(shí)，勾選圖9中的啟用終端電阻，即可在總線上添加120Ω的終端電阻；當(dāng)選配件使用StressZ時(shí)，如圖10中的RHL，可根據(jù)需要設(shè)置對(duì)應(yīng)的終端電阻。?圖9 標(biāo)配件P8251T、P1040T終端電阻設(shè)置?圖10?選配件StressZ終端電阻設(shè)置
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