CAN 总线网络在应用时,工程师常常会建议总线支线不要太长,那么为什么 CAN 总线支线不能太长,如果某些环境下必须使用长支线又该怎么办呢?

 
CAN 网络的拓扑种类
控制器局域网 CAN(Controller Area Network),是国际上应用最广泛的现场总线之一,最初是由德国 Bosch 公司设计的,为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发一种串行通信协议。CAN 网络的拓扑结构主要有线形拓扑、星形拓扑、树形拓扑和环形拓扑等。
 
线形结构如下图所示,其特点是一条主干总线,在总线上分出支线到各个节点,其优点在于布线施工简单,阻抗匹配规则固定,接线比较方便,缺点是拓扑不够灵活,在一定程度上影响通讯距离;
 
 
星形拓扑如下图所示,其特点是每个节点通过中央设备连到一起,优点是容易扩展,缺点是一旦中央设备出故障会导致总线集体故障,而且分支线长不同,阻抗匹配复杂,可能需要通过一些中继器或集线器进行扩展;
 
 
树形拓扑如下图所示,其特点是分支比较多,且分支长度不同,优点是布线方便,缺点是网络拓扑复杂,阻抗匹配困难,通讯中极易出现问题,必须加一些集线器设备;
 
 
环形拓扑如下图所示,其特点是将 CAN 总线头尾相连,形成环状,优势是线缆任意位置断开,总线都不会出现问题,缺点是信号反射严重,无法用于高波特率和远距离传输。
 
 
虽然 CAN 总线可以有多种网络拓扑,但在实际应用当中比较推荐使用线形拓扑,且在 IOS-11898-2 中有高速 CAN 物理层规范,其中推荐的 CAN 网络拓扑也是线形拓扑,下面就针对线形拓扑网络 CAN 支线过长问题进行分析。
 
支线过长带来的问题
在讲 CAN 支线之前,我们来看一个 CAN 的波形图,如下图所示,大家仔细查看 CAN 波形图,会发现 CAN 波形上存在明显的上升沿和下降沿台阶现象,因为台阶的存在,从而引起波特率变化,导致接收节点采样出错(也称位宽错误)。
 
 
边沿台阶出现的源头主要是 CAN 节点的分支,分支过长形成的反射就变强,将会导致位宽度失调的错误。ISO11898 中只规定 1M 波特率下分支不超过 0.3 米,支线过长会直接导致总线阻抗匹配问题发生,阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间达到一种适合的搭配,阻抗匹配主要为了调整负载功率和抑制信号反射,所以一旦阻抗匹配出现问题,就出现了上图中的上升沿和下降沿的台阶。

 

解决支线过长的办法
如果我们的总线存在支线过长的问题,那么该怎么办呢?我们下面提供几种解决方案:
 
1、减小分支长度
在 CAN 网络布局的根源上解决问题的方式就是减少 CAN 节点的分支长度,从而降低信号反射,保证位宽的稳定性。如上图波形实验中,其它条件不变,只将分支长度减少为 20cm,此时并没有看到边沿台阶的出现。由此可见,减少分支长度是消除边沿台阶的最直接方式。
 
 
2、长分支上加适当电阻
在网络布局无法改变,分支引起的信号反射必须存在的情况下。最实用的方法就是在长分支末端加上电阻,消除信号反射。同样的在上述实验中,在分支节点处加上一个 200Ω的电阻,其它条件不变进行通信实验。下图为实验的 CAN 波形图,此时可以看到边沿台阶已被消减,但是加了电阻之后差分电压变小,注意差分电压不得小于 0.9V。这里值得一提的是:阻值大于 500Ω的电阻吸收反射的能力很弱,所以在末端挂电阻的时候应小于 500Ω。
 
 
3、增加 CAN 中继器或集线器
当然很多场合是在出现了问题之后才发现支线过长,当重新布线或更改节点本身都无法操作的情况下,我们也有解决方案,那就是在过长的支线上增加 CAN 中继器,典型的如致远电子 CANBridge,甚至可以支持不同波特率的 CAN 网络的连接。