技術小課堂 | CAN總線應用常見問題(2)

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

低波特率通信正常，高波特率無法通信

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

圖1、CAN收發(fā)器芯片內部CANH、CANL結構

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

總線電容過大導致的通訊異常

CAN收發(fā)器為了實現(xiàn)CAN的仲裁與錯誤處理，采用單向驅動結構，即CAN波形的上升沿有驅動，而下降沿是通過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)點及CAN線束的電容會影響整個網(wǎng)絡的電容，電容越大，下降邊沿越緩，導致接收節(jié)點發(fā)生位采樣錯誤，從而產(chǎn)生錯誤幀。

解決方法

• 檢查CAN總線上是否有外加電容、是否有保護器件(TVS等)的寄生電容過大等問題，適當去除，以降低電容，建議將單個CAN節(jié)點電容控制在 40pF~100pF范圍內；
• 降低工作波特率，波特率降低可以延長位時間，減小電容的影響，但若電容過大，則不一定有效；
• 推薦使用支持CAN SIC的TPT1462，主動隱性功能可保證信號的有效脈寬。

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布局走線會耦合感性負載，而信號在感性負載下傳輸會出現(xiàn)信號共模抖動，可修改終端電阻中點的對地split電容調整信號質量，調整范圍1nF~100nF，推薦值4.7nF。

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

圖3、調整split電容或更換TPT1044、TPT1057、TPT1462可有效改善信號質量

圖4、無split電容時共模抖動

圖5、有split電容下共模無抖動

圖6、TPT1044不增加Split電容下共模無抖動

總線干擾過大問題

CAN總線雖然有強大的抗干擾和糾錯重發(fā)機制，但目前CAN被大量應用于新能源汽車、軌道交通、醫(yī)療、煤礦、電機驅動等行業(yè)，而這些場合的電磁環(huán)境比較復雜，所以如何抗干擾是工程師最為關心的話題。

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、弱電遠離強電、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，也可能會導致信號反射嚴重引起信號振鈴，在總線產(chǎn)生振鈴時，其總線差模信號會反復在顯性電平和隱性電平閾值振蕩，導致RXD產(chǎn)生誤翻轉，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)新設計振鈴抑制電路專利的車規(guī)級CAN SIC（信號改善功能，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、復雜拓撲情況下有效減少總線中的信號反射，降低振鈴現(xiàn)象發(fā)生的概率，同時TPT1462Q具有國際領先的抗干擾能力，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實的基礎。

圖7、常規(guī)CAN總線振鈴干擾波形

圖8、CAN SIC振鈴抑制對比波形

總線錯誤狀態(tài)和分析

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

• 主動錯誤狀態(tài)；
• 被動錯誤狀態(tài)；
• 總線關閉狀態(tài)；

這些狀態(tài)依靠發(fā)送錯誤計數(shù)和接收錯誤計數(shù)來管理，錯誤類型包括位錯誤、ACK錯誤、填充錯誤、CRC錯誤、格式錯誤，根據(jù)計數(shù)值決定進入何種狀態(tài)。錯誤狀態(tài)和計數(shù)值的關系如下圖所示。

圖9、單元的錯誤狀態(tài)

節(jié)點處于主動錯誤狀態(tài)下檢測到非法幀格式會主動輸出錯誤幀，錯誤幀由6個顯性位和8個隱性位組成；利用該特性可以使用示波器捕捉錯誤幀波形，分析錯誤類型和原因。

例如CAN的仲裁域波特率為500kbps時，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個連續(xù)顯性位)，觸發(fā)電平>2.5V，即可抓取錯誤幀波形。

圖10、錯誤幀波形