什么是 CAN 總線：概念、優勢和抗干擾要素
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本文主要介紹CAN總線的概念、優點和抗干擾要素。實際上，CAN總線在我們日常生活的各個領域都有應用，并且已經成為國際標準。現在，讓我們得到它！
目錄
一 、CAN總線定義 |
二、CAN總線的優勢 2.1 網絡節點之間的實時數據通信 2.2 開發周期短 2.3 形成國際標準 2.4 最有前途的現場總線之一 |
三、CAN總線抗干擾六大標準 3.1 CAN總線接口的隔離與保護 3.2 提高CAN總線的扭曲度 3.3 保證屏蔽效果和正確接地 3.4 使 CAN 總線遠離干擾源 3.5 添加磁環或共模電感 3.6 CAN總線轉光纖傳輸 |
四、常見問題 |
一、CAN總線定義
控制器局域網（CAN 總線）是一種強大的車輛總線標準，旨在允許微控制器和設備在沒有主機的應用中相互通信。它是一種基于消息的協議，最初設計用于汽車內的多路電氣布線以節省銅線，但也用于許多其他環境。
CAN總線由以開發和生產汽車電子產品而聞名的德國BOSCH公司開發，最終成為國際標準（ISO 11898），成為世界上應用最廣泛的現場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協議已經成為汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線，還有以CAN為底層協議的專為大型卡車和重型機械車輛設計的J1939協議。
二、CAN總線的優勢
CAN屬于現場總線，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。與眾多基于R-line的RS-485集散控制系統相比，基于CAN總線的集散控制系統在以下幾個方面具有明顯優勢：
2.1 網絡節點之間的實時數據通信首先，CAN控制器的工作方式多種多樣，每個網絡節點都可以使用逐位仲裁的無損結構根據總線訪問優先級（取決于消息標識符）競爭向總線發送數據。CAN協議取消了****編碼，取而代之的是對通信數據進行編碼，可以使不同的節點同時接收相同的數據。并且廢除了CAN協議。
這些特點使得由CAN總線組成的網絡節點之間的數據通信是實時的，易于構建冗余結構，提高系統可靠性和系統靈活性。但是，使用RS-485只能構成主從結構系統，通信方式只能以主站輪詢的方式進行。系統的實時性和可靠性較差。
2.2 開發周期短CAN總線通過CAN收發器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL連接到物理總線，而CANH端的狀態只能是高電平或掛起狀態，CANL端只能是低電平或暫停狀態。這樣就保證了RS-485網絡中不會出現當系統出現錯誤，多個節點同時向總線發送數據時，總線短路，從而導致部分節點損壞的情況。
而且CAN節點具有在出現嚴重錯誤時自動關閉輸出的功能，從而不影響總線上其他節點的運行，確保總線不會因為出現問題而出現“死鎖”狀態與網絡中的單個節點。而且，通過CAN控制器芯片及其接口芯片可以實現完善的CAN通信協議，大大降低了系統開發的難度，縮短了開發周期，這是RS-485僅采用電氣協議所無法比擬的。
2.3 形成國際標準與其他總線相比，CAN總線是一種國際標準的現場總線，具有通信速度快、易于實現、性價比高等特點。這些也是CAN總線應用在眾多領域并具有強大市場競爭力的重要原因。
2.4 最有前途的現場總線之一CAN是控制器的局域網，屬于工業現場總線。與一般的通信總線相比，CAN總線在數據通信方面具有突出的可靠性、實時性和靈活性等特點。由于其良好的性能和獨特的設計，CAN總線越來越受到重視。CAN總線在汽車領域得到廣泛應用，一些著名的汽車制造商用它來實現內部控制系統和檢測執行機構之間的數據通信。
同時，由于CAN總線本身的特點，其應用范圍不再局限于汽車行業，而是自動控制、機器人等。CAN 已成為國際標準，并被公認為最有前途的現場總線之一。其典型應用協議有：SAE J1939 / ISO 11783 / CAN Open、CAN Aerospacea DeviceNet、NMEA 2000等。
三、CAN總線抗干擾六大標準
隨著CAN總線在電動汽車、充電樁、電力電子、軌道交通等電磁環境中的應用越來越多，信號干擾問題已經嚴重影響了用戶對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個關鍵規則。
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，也沒什么區別，稍加扭曲處理就可以完全實現零錯誤幀。
但在電動汽車時代，逆變器、電機、充電器等大功率設備對CAN的影響足以中斷通信或損壞CAN節點。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、測試診斷設備制造商一直在研究抗干擾的“妙方”，以保證CAN的穩定運行。本文結合某電子公司15年CAN現場故障排除經驗，介紹了抗干擾的6條鐵律。
3.1 CAN總線接口的隔離與保護干擾不僅會影響信號，還會導致電路板死機或燒毀，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。
如圖所示。3、接口和電源不隔離時，兩個節點的地電位不一致，有回流電流，產生共模信號。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，如果干擾強度大，比如達到2KV浪涌，隔離也可以被打破。因此，要達到更高級別的保護，必須增加浪涌電路。圖6為高速總線標準抗浪涌電路。
圖6 信號保護電路
這種保護電路可以達到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，導致測試失敗。
3.2 提高CAN總線的扭曲度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，否則干擾強度不同，導致差分信號受到干擾。因此，CANH 和 CANL 應該緊緊地扭在一起。通常雙絞線只有33股/米，但在強干擾的情況下，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大于0.35g~0.5 mm2，CAN_H到CAN_L的線間電容應小于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
3.3 保證屏蔽效果和正確接地帶有屏蔽層的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纏繞成標準屏蔽雙絞線。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，其中內層CAN_GND接CAN收發器，外層屏蔽接地。內層可以平衡信號的地電位，抑制共模干擾，減少誤幀，但干擾強時接收機損壞率會增加。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，單點接地可以避免接地回流（不同位置地電位不同引起），多點接地可以加快高頻干擾信號的釋放。因此，有必要根據實際情況選擇合適的接地方式。
在CAN的應用中，由于距離一般較遠，屏蔽層大多采用單點接地，在干線中找一個點直接用導線接地，該點應是干擾最小的點，且位置靠近網絡的中心。
3.4 使 CAN 總線遠離干擾源遠離干擾源是最簡單的抗干擾方法。如果CAN總線與強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，經常會遇到空間太小，不能混入強電的can總線。圖11是新能源汽車的驅動系統，CAN總線和驅動線混在一起，干擾很大。
圖 11 接線問題
要解決這個問題，我們只能保證強電和弱電分開捆扎，遠離。
3.5 添加磁環或共模電感使用抗干擾磁環是為了削弱特定頻率的干擾影響。如圖12所示，為了增加磁環的效果，CAN差分電纜可以加兩根或單頭。
圖12 添加磁環
磁環的作用可以大大降低特定頻率的干擾強度。添加磁環前，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頻率的磁環。圖 13 顯示了添加磁環前后的結果。可以看出，干擾強度發生了明顯的變化。
圖13 添加磁環后的效果
需要注意的是，不能隨意添加磁環或共模電感。如果自適應頻率不正確，會影響正常的信號通信。
3.6 CAN總線轉光纖傳輸抗干擾的最終措施是將CAN總線轉換成光纖，光纖是一種不受電磁干擾的傳輸介質。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。
圖14 使用光纖轉換器的光纖骨干傳輸
四、常見問題
1.什么是CAN總線？
控制器局域網 (CAN 總線) 是一種強大的車輛總線標準，旨在允許微控制器和設備在沒有主機的情況下與彼此的應用程序進行通信。
2. 總線如何工作？
CAN 總線系統使每個 ECU 能夠與所有其他 ECU 通信——無需復雜的專用布線。具體來說，ECU 可以通過 CAN 總線（由兩條線，CAN 低和 CAN 高）準備和廣播信息（例如傳感器數據）。
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出警告，則它配備了 CAN 總線。最簡單的方法是聯系車輛的供應商或經銷商。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？
導線是絞合的，因為導線上傳輸的信號是通過對兩根導線的測量得出的，因此當導線絞合在一起時，它們都會受到相同的干擾，并且出現差異的機會大大減少。
7、CAN總線需要接地嗎？
它不僅是必要的，而且也是 CAN 標準所要求的。毋庸置疑，兩個電子設備之間需要某種共同的參考基準，否則如果它們嘗試進行通信，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。因此，CAN 總線傳輸線不受汽車應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 總線是否應該隔離？
如果您的設備將總線保持在非空閑狀態，它將阻止所有其他設備使用它（或者更準確地說，它的那一段）。...如果沒有電流隔離，您可能會面臨損壞 CAN 總線上所有設備的風險，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致一條或兩條 CAN 線路對地短路。從設備上拔下連接器。
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