技術(shù)小課堂 | CAN總線應(yīng)用常見問(wèn)題(2)

CAN總線作為一種常用的通信協(xié)議，在汽車、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，由于各種原因，CAN總線在使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)各種故障，本文將繼續(xù)講解CAN總線應(yīng)用過(guò)程中的常見問(wèn)題和解決辦法。

低波特率通信正常，高波特率無(wú)法通信

控制器配置低波特率通信正常而提高通信速率后無(wú)法通信的問(wèn)題，主要是由于終端電阻未匹配導(dǎo)致的。CAN收發(fā)器芯片內(nèi)部的CAN線CANH、CANL引腳是開漏結(jié)構(gòu)，如下圖1，總線上的寄生電容在顯性狀態(tài)時(shí)會(huì)被充電，而從顯性狀態(tài)切換到隱性狀態(tài)的時(shí)候，總線上的電容要放電。如果CANH、CANL之間沒(méi)有匹配電阻或者匹配的終端電阻太大，就會(huì)導(dǎo)致電容上的電荷放電速度過(guò)慢，從而在下降沿出現(xiàn)邊沿下降過(guò)緩的現(xiàn)象，如圖2，進(jìn)而導(dǎo)致控制無(wú)法采到正確的電平，引發(fā)通信問(wèn)題。

圖1、CAN收發(fā)器芯片內(nèi)部CANH、CANL結(jié)構(gòu)

圖2、顯性狀態(tài)切換到隱性狀態(tài)邊沿緩慢

解決方法

• 匹配適當(dāng)?shù)慕K端電阻；
• 推薦使用思瑞浦的TPT1462，支持主動(dòng)隱性，在TXD拉高時(shí)顯性狀態(tài)可快速切換至隱性狀態(tài)，保證通信正常。

總線電容過(guò)大導(dǎo)致的通訊異常

CAN收發(fā)器為了實(shí)現(xiàn)CAN的仲裁與錯(cuò)誤處理，采用單向驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，即CAN波形的上升沿有驅(qū)動(dòng)，而下降沿是通過(guò)整條總線與終端電阻放電產(chǎn)生的，所以終端電阻的第一作用是放電。CAN節(jié)點(diǎn)及CAN線束的電容會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電容，電容越大，下降邊沿越緩，導(dǎo)致接收節(jié)點(diǎn)發(fā)生位采樣錯(cuò)誤，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤幀。

解決方法

• 檢查CAN總線上是否有外加電容、是否有保護(hù)器件(TVS等)的寄生電容過(guò)大等問(wèn)題，適當(dāng)去除，以降低電容，建議將單個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)電容控制在 40pF~100pF范圍內(nèi)；
• 降低工作波特率，波特率降低可以延長(zhǎng)位時(shí)間，減小電容的影響，但若電容過(guò)大，則不一定有效；
• 推薦使用支持CAN SIC的TPT1462，主動(dòng)隱性功能可保證信號(hào)的有效脈寬。

CAN總線波形出現(xiàn)明顯的共模震蕩

共模振蕩通常是由于傳輸線纜和PCB布局走線會(huì)耦合感性負(fù)載，而信號(hào)在感性負(fù)載下傳輸會(huì)出現(xiàn)信號(hào)共模抖動(dòng)，可修改終端電阻中點(diǎn)的對(duì)地split電容調(diào)整信號(hào)質(zhì)量，調(diào)整范圍1nF~100nF，推薦值4.7nF。

另外，TPT1044、TPT1057和TPT1462都是思瑞浦基于自主設(shè)計(jì)對(duì)稱性調(diào)節(jié)模塊專利技術(shù)的車規(guī)級(jí)CAN收發(fā)器芯片，可有效調(diào)節(jié)總線共模，確保差分輸出的對(duì)稱性，即使不增加Split電容，也可以達(dá)到傳統(tǒng)CAN收發(fā)器增加Split后的效果。

圖3、調(diào)整split電容或更換TPT1044、TPT1057、TPT1462可有效改善信號(hào)質(zhì)量

圖4、無(wú)split電容時(shí)共模抖動(dòng)

圖5、有split電容下共模無(wú)抖動(dòng)

圖6、TPT1044不增加Split電容下共模無(wú)抖動(dòng)

總線干擾過(guò)大問(wèn)題

CAN總線雖然有強(qiáng)大的抗干擾和糾錯(cuò)重發(fā)機(jī)制，但目前CAN被大量應(yīng)用于新能源汽車、軌道交通、醫(yī)療、煤礦、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等行業(yè)，而這些場(chǎng)合的電磁環(huán)境比較復(fù)雜，所以如何抗干擾是工程師最為關(guān)心的話題。

為此可采用提高CAN雙絞程度、加單雙屏蔽層、使用CAN隔離模塊、弱電遠(yuǎn)離強(qiáng)電、優(yōu)化布線等方式以提高CAN通信抗干擾能力。同樣在采用不合理的組網(wǎng)方式時(shí)，也可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射嚴(yán)重引起信號(hào)振鈴，在總線產(chǎn)生振鈴時(shí)，其總線差模信號(hào)會(huì)反復(fù)在顯性電平和隱性電平閾值振蕩，導(dǎo)致RXD產(chǎn)生誤翻轉(zhuǎn)，從而使接收數(shù)據(jù)受到干擾。

思瑞浦推出基于其自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)振鈴抑制電路專利的車規(guī)級(jí)CAN SIC（信號(hào)改善功能，Signal Improvement Capability）TPT1462Q芯片，可有效抑制總線振鈴，允許工程師在多節(jié)點(diǎn)、復(fù)雜拓?fù)淝闆r下有效減少總線中的信號(hào)反射，降低振鈴現(xiàn)象發(fā)生的概率，同時(shí)TPT1462Q具有國(guó)際領(lǐng)先的抗干擾能力，即使在極其惡劣的電磁環(huán)境中，仍能維持CAN正常通信，為汽車安全通訊奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖7、常規(guī)CAN總線振鈴干擾波形

圖8、CAN SIC振鈴抑制對(duì)比波形

總線錯(cuò)誤狀態(tài)和分析

按照CAN協(xié)議的規(guī)定，CAN總線上的節(jié)點(diǎn)始終處于以下三種狀態(tài)之一：

• 主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)；
• 被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)；
• 總線關(guān)閉狀態(tài)；

這些狀態(tài)依靠發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)和接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)來(lái)管理，錯(cuò)誤類型包括位錯(cuò)誤、ACK錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、CRC錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤，根據(jù)計(jì)數(shù)值決定進(jìn)入何種狀態(tài)。錯(cuò)誤狀態(tài)和計(jì)數(shù)值的關(guān)系如下圖所示。

圖9、單元的錯(cuò)誤狀態(tài)

節(jié)點(diǎn)處于主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)下檢測(cè)到非法幀格式會(huì)主動(dòng)輸出錯(cuò)誤幀，錯(cuò)誤幀由6個(gè)顯性位和8個(gè)隱性位組成；利用該特性可以使用示波器捕捉錯(cuò)誤幀波形，分析錯(cuò)誤類型和原因。

例如CAN的仲裁域波特率為500kbps時(shí)，以CANH觸發(fā)為例。選擇觸發(fā)方式為脈寬觸發(fā)，觸發(fā)脈寬選擇>11μs(保證大于5個(gè)連續(xù)顯性位)，觸發(fā)電平>2.5V，即可抓取錯(cuò)誤幀波形。

圖10、錯(cuò)誤幀波形