CAN通信邊沿緩慢導致通信錯誤原因分析與優化

在CAN通信系統的故障排查過程中，常常遇到因邊沿緩慢而導致的通信錯誤。

邊沿緩慢主要影響CAN網絡數據傳輸的準確性，進而導致網絡中的錯誤幀增多。

以下通過一個實際案例對邊沿緩慢現象的成因進行分析，并提供有效的排查與優化建議。

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現場測試數據分析

圖 1展示了通過ZPS-CANFD采集的現場CAN網絡報文和波形數據。

從報文數據可以看出，所有的幀均為錯誤幀，說明CAN網絡出現了通信錯誤。

結合波形數據觀察，發現CAN差分信號的波形邊沿十分緩慢，呈現出類似鐮刀形狀。

這種緩慢的邊沿形態，會影響CAN通信中顯隱性電平的識別，進而導致通信錯誤的發生。

圖1：差分波形邊沿緩慢現象

通過對該波形的分析，發現邊沿的上升和下降時間都較長，且波形中不再呈現理想的快速上升和下降。

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邊沿時間測量

通過ZPS的【總線邊沿測量】功能，測量了該CAN差分波形的上升和下降時間。

結果顯示：

• 上升時間約為300ns

• 下降時間約為600ns

圖2：差分波形邊沿時間測量結果

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原因排查

邊沿緩慢的現象，通常與CAN總線差分電平的充放電過程密切相關。

我們知道，當CAN總線電平從低變高（上升沿）時，收發器的Q1、Q2導通，電容開始充電；當電平從高變低（下降沿）時，Q1、Q2斷開，電容通過終端電阻放電。

由于電容的充放電需要一定的時間，電容值越大，充放電所需時間（即時間常數τ）越長，導致波形的上升和下降時間增加。

根據電容充放電的時間常數公式：

當電阻值（R）固定時，電容（C）越大，時間常數τ值就越大，進而導致邊沿緩慢的現象。

通過對現場CAN網絡節點電路的檢查，發現收發器外圍電路中存在TVS管、氣體放電管等保護器件。

這些器件的結電容會影響總線的信號傳輸，尤其是當選用結電容較大的TVS管時（如電容值在幾百到上千皮法范圍內），會導致總線的電容增加，進而在高速通信時產生邊沿緩慢的波形。

圖3：CAN總線充放電示意圖

圖4：CAN節點電路

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優化措施與效果

針對上述問題，優化措施是將CAN節點收發器外圍電路中的TVS管去除。

去除TVS管后，再次進行現場數據采集，觀察到波形和邊沿時間有了顯著改善。

具體表現為：

• CAN差分信號的上升時間從原來的300ns減少到30ns左右

• CAN差分信號的下降時間從原來的600ns減少到40ns左右

圖5：優化后的CAN差分波形

圖6：優化后CAN差分波形邊沿時間測量結果

通過去除結電容較大的保護器件，CAN網絡的邊沿緩慢現象得到了有效的改善，通信穩定性也得到了顯著提升。

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CAN網絡邊沿緩慢原因排查建議

當CAN網絡出現邊沿過于緩慢的現象時，可以從以下幾個方向進行排查和優化：

• 檢查CAN節點電路中的保護器件：確認是否存在等效電容較大的保護器件（如TVS管、氣體放電管等）。選用結電容較小的保護器件，以減少對總線信號的影響。

• 檢查節點電路中的電容：檢查CAN節點電路是否存在過大的對地電容（如CAN對地電容、CANL對地、CANH對CANL的電容）。過大的電容會顯著降低信號的邊沿速度，影響通信的正常進行。

• 檢查通信線纜的寄生電容：確保通信線纜的選擇合理，避免選用寄生電容過大的線纜。電纜的長度和類型也會影響信號的傳輸質量。

• 優化總線布局：在設計CAN總線時，盡量避免長距離的連接，保持合理的總線長度和節點間距，以減少寄生電容的影響。

通過上述排查和優化措施，可以有效避免因邊沿緩慢引起的CAN通信錯誤，確保系統的穩定性和可靠性。