CAN一般来说,总线的终端电阻是120欧姆。事实上,在设计中,两个60欧姆的电阻串在一起,总线上通常有两个120欧姆Ω基本上对节点了解一点CAN大家都知道这个道理。
但是这两个终端电阻的具体功能是什么呢?我以前知道阻抗匹配,但匹配是什么呢?
搜索后总结了以下知识点。了解终端电阻的作用,可以更快地找到日常工作中波形不稳定等问题的原因。
终端电阻的作用
CAN总线终端电阻有三个功能:
1.提高抗干扰能力,快速消除高频低能量信号
2.确保总线快速进入隐性状态,使寄生电容的能量更快地消失;
3.提高信号质量,放置在总线两端,降低反射能量。
CAN总线有显性和隐性两种状态,显性代表0,隐性代表1CAN收发器决定。下图是一个CAN收发器的典型内部结构图,CANH、CANL连接总线。
当总线显性时,收发器内部Q1、Q2导通,CANH、CANL两者之间的压差,Q1、Q2截止,CANH、CANL处于无源状态,压差为0。
如果总线没有负载,隐性时差电阻值很大,内部MOS管道处于高阻状态,外部干扰只需要很小的能量就能使总线进入显性(一般收发器显性门限最小电压只有500mV)。此时,如果有差异模具干扰,总线上会有明显的波动,没有地方吸收它们,它们会在总线上创建一个显性位置。因此,为了提高总线隐性的抗干扰能力,可以增加差异负载电阻,电阻值尽可能小,以消除大部分噪声能量的影响。然而,为了避免电流总线进入显性,电阻值不应太小。
在显性状态下,总线的寄生电容器将被充电,当它们恢复到隐性状态时,需要放电。CANH、CANL之间没有电阻负载,电容器只能通过收发器内的差异电阻放电。RC过滤电路的特性,放电时间明显较长。我们在收发器CANH、CANL加一个220PF模拟试验中的电容,位速为500kbit/s,如图所示,波形的下降边缘处于较长状态。
为了快速放电总线寄生电容,确保总线快速进入隐藏状态,需要在CANH、CANL之间放置负载电阻。增加60个Ω波形如图所示,显性恢复到隐性的时间缩短到128nS,与显性建立时间相当。
1.当信号转换率高的情况下,当信号边缘能量遇到阻抗不匹配时,会产生信号反射;传输电缆横截面的几何结构发生变化,电缆的特征阻抗发生变化,反射。
2.当能量反射时,反射波形与原波形叠加,产生振铃。
3.在总线电缆的末端,阻抗的急剧变化导致信号边缘的能量反射,并在总线信号上产生振动铃。如果振动铃幅度过大,则会影响通信质量。在电缆末端增加与电缆特性阻抗一致的终端电阻,以吸收这部分能量,避免振动铃。
4.如下模拟试验,位速率为1Mbit/s,收发器CANH、CANL接一根10m双绞线左右,收发器端接120Ω电阻保证隐性转换时间,终端不加载。如图所示,终端信号波形沿信号上升时出现振铃。
如果双绞线末端增加120Ω终端信号波形明显改善,振铃消失。
一般在直线拓扑中,电缆两端是发送端,也是接收端,所以电缆两端需要增加终端电阻。
在实际应用过程中,CAN总线一般不是完美的总线设计,往往是总线总线和星形的混合结构,这次通常是CAN在线束最远的两端布置终端电阻,尽可能模拟CAN标准结构的总线。
阻抗匹配和布线要求
什么是阻抗?在电学中,阻抗通常称为阻抗电路中的电流。阻抗单元是欧姆,通常使用Z表示,是复数Z= R i( ωL–1/(ωC))。具体来说,阻抗可以分为电阻(实)和电抗(虚拟部分)两部分。电抗还包括容抗和感应阻抗。电容引起的电流阻碍称为容抗,电感引起的电流阻碍称为感应阻抗。这里的阻抗是指Z的模。
任何电缆的特征阻抗都可以通过实验得到。电缆的一端连接到方波发生器,另一端连接到可调电阻,并通过示波器观察电阻上的波形。调整电阻值的大小,直到电阻上的信号是一个良好的无振铃方波,电阻值与电缆的特征阻抗一致。
使用两根汽车使用的典型电缆将其扭转成双绞线,可以根据上述方法获得约120个特征阻抗Ω,这也是CAN该标准推荐的终端电阻值为120Ω它是根据实际线束特性计算的,而不是计算的。ISO 11898-2标准也有定义。
1. 导线类型 CAN双绞线必须用于总线布线,特征阻抗约120Ω对于通信距离长或电磁环境恶劣的双绞线,最好使用屏蔽双绞线,以有效抑制电磁干扰,确保可靠的通信。 2、 线长与直流电阻 当客户的通信距离较长时就不得不考虑线路损耗了,如果使用的线缆太细,导线的直流电阻太大。那么在总线起始端发出的信号在经历漫长的路途之后到达末端的节点时信号将大幅衰减,最终导致通信失败。那么线长和传输线截面积,线长与通信波特率又有什么关系呢?我们总结如下图1所示。
图1传输线相关参数推荐值 二、布线拓扑结构 1、“手牵手”式连接 在直线型拓扑中,由于分支存在一定的长度以及分支长度的积累会造成总线上阻抗不连续,继而产生信号反射的现象,所以直线型拓扑中最常用的是手牵手连接方式。如图 2所示,为了保证通信的可靠性,起始端和末端的节点都需要加120Ω终端电阻不能只连接一端或两端。
2、T分支式连接 在大多数的工业现场、轨道机车中,由于整体线缆非常多均需要使用接线排,方便后期维护。所以CAN总线上的节点分支是不可避免的,只能尽量减少分支长度,如图 3所示。
图3 T型分支结构图
这个分支长度在最高波特率1M时最好在0.3m以内,我们可以推断在其他波特率条件下如果分支长度满足小于0.3m,那么总线通信可以稳定运行。 在某些场合无法做到这么短的分支怎么办呢?我们可以根据不同的波特率,选择不同的分支长度。如图4可知,随着波特率的增加,分支约束越来越严格,相反如果想增加分支的长度那么波特率必须降低以获得稳定的通信。
图 4 波特率与分支长度的关系 3、星型拓扑
图 5 等长星型连接 如图 5所示,若采用等长星型拓扑进行接线可以不使用集线器设备,适当调整每个节点的终端电阻即可实现组网。 R=N×60Ω N:分支数量 R:每个分支的终端电阻 注意每个节点必须加终端电阻,不能在星型网络的中心加任何电阻。 在现实应用中很多场合无法做到等长星型连接,这个时候我们需要使用CAN集线器来进行分支,如图6所示
图 6 集线器用于复杂的分支网络 使用集线器布线灵活性很大,可以根据需要任意分支,少了很多约束条件,但是贵啊。
功率选0.25W的原因
这个就要结合一些故障状态也计算,汽车ECU的所有接口都需要考虑短路到电源和短路到地的情况,所以我们也需要考虑CAN总线的节点短路到电源的情况,根据标准需要考虑短路到18V的情况,假设CANH短路到18V,电流会通过终端电阻流到CANL上,而CANL内部由于限流的原因,最大注入电流为50mA(TJA1145的规格书上标注),这时候120Ω电阻的功率就是50mA*50mA*120Ω=0.3W。考虑到高温情况下的降额,终端电阻的功率就是0.5W。