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CAN總線的硬件結構、信號電平相關的基礎知識

FPGA之家 ? 來源:FPGA之家 ? 作者:FPGA之家 ? 2022-06-15 09:24 ? 次閱讀

本文主要介紹CAN總線的硬件結構、信號電平等等硬件相關的基礎知識。

總線結構

CAN總線的物理連接常見的是非屏蔽雙絞線(UTP),線上傳輸的是差分信號。連接到CAN總線上的設備叫做節點設備(CAN Node),節點主要包括Host、Controller和Transceiver三部分。Host和Controller通常集成在MCU里面,CAN Controller負責處理協議相關功能。CAN Transceiver將控制器連接到外部傳輸媒介。

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高速CAN總線最高信號傳輸速率可達1Mbps,支持最長距離40m(CAN FD最高支持12Mbps,傳輸距離也就能到5m或者更短,一般也就是板間通訊才會使用這么高的波特率)。ISO 11898-2規定要求在高速CAN總線的兩端安裝端接電阻(RL)以消除反射,而低速CAN最高速度只有125Kbps,因此ISO 11898-3沒有要求端接。ISO 11898規定的CAN總線上最多32個節點。實際應用中要考慮到CAN總線收發器的性能,以及工作的CAN網絡是高速CAN還是低速CAN。在傳輸距離方面,由于距離越大,信號時延也越大,為確保消息的正確采樣,總線上的信號速率相應也得下降。

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CANTransceiver

CAN Transceiver包括CANH和CANL兩根信號,CANH和CANL信號采用差分電平,這樣可以取得更好的電磁兼容效果。

CAN總線分高速CAN和低速CAN,收發器也分為高速CAN收發器(1Mbps)和低速CAN收發器(125Kbps)。低速CAN也叫 Fault Tolerant CAN ,指的是即使總線上一根線失效,總線依然可以通信

下圖是高速CAN收發器的基本電路結構(MCP2551)。當兩個晶體管都關斷時,CANH和CANL上電壓相同,且都為0.5*VCC ;而當兩個晶體管都打開時,CANH 和 CANL上即存在一定的壓差,且壓差與負載電阻值相關。ISO 11898-2要求此時CANH和CANL壓差在2V左右。

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下圖是CAN FD的電路框圖(TCAN1044V):

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下圖是低速CAN的電路框圖(TJA1055):

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下圖是SWC的基本框圖(MC33897):

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CAN信號電平

CAN通信不是以時鐘信號來進行同步的。它只具有CAN_H和CAN_L兩條信號線,共同構成一組差分信號線,CAN是以差分信號的形式進行通信的。 在CAN總線上,邏輯“0”和“1”之間顯著的電壓差是總線可靠通信的保證。CAN總線上兩種電平狀態分別為:

顯性(Dominant):0

隱性(Recessive):1

高速CAN和低速CAN總線在物理層信號電平上定義有所不同。 高速CAN,定義CANH和CANL電壓相同(CANH=CANL=2.5V)時為邏輯“1”,CANH和CANL電壓相差2V(CANH=3.5V, CANL=1.5V)時為邏輯“0”。高速CAN收發器在共模電壓范圍內(-12V~12V),將CANH和CANL電壓相差大于0.9V解釋為顯性狀態(Dominant),而將CANH和CANL電壓相差小于0.5V解釋為為隱性狀態(Recessive)。收發器內部有遲滯電路可以降低干擾。 低速CAN,定義CANH和CANL電壓相差-5V(CANH=0V, CANL=5V)時為邏輯“1”,相差2.2V(CANH=3.6V, CANL=1.4V)時為邏輯“0”。 CAN總線的信號電平具有“線與”特性,即顯性電平“0”總是會掩蓋隱性電平“1”。如果不同節點同時發送顯性和隱性電平,總線上表現出顯性電平“0”,只有在總線上所有節點發送的都是隱性電平“1”時,總線才表現為隱性。線與特性是CAN總線仲裁的電路基礎。 下圖是高速CAN的信號電平(ISO 11898-2):

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下圖是低速CAN的信號電平(ISO 11898-3):

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注:起初,ISO11898是高速CAN的標準,ISO11519是低速CAN的標準,高速CAN數據鏈路層和物理層都在標準ISO11898中規定,后來被拆分為ISO11898-1(僅涉及數據鏈路層)和ISO11898-2(僅涉及物理層)。其中標準ISO 11519-2-1994已經在2006年被ISO 11898-3-2006代替了,也就是說符合標準ISO 11898-3的產品也是支持符合ISO 11519-2標準的產品,因此LSFT CAN的標準也是ISO 11898。

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CAN電路設計

CAN收發器的特性包括非常低的電磁輻射和很強的抗擊共模噪聲的能力。另外,CAN收發器可以提供高達 8KV 的ESD保護,在電路設計中可以在收發器附近增加共模電感以進一步降低電磁輻射。

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同時,CAN總線的設計還要進行隔離和防護。隔離包括信號線的隔離和電源的隔離,隔離可以增強系統的抗干擾能力,但也會增加CAN總線的傳輸延遲,導致通信速率和通信距離減少。現在有很多直接帶隔離的CAN收發器,可以直接進行使用。

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自帶隔離的CAN收發器框圖如下圖所示,其內部集成了變壓器對電源、信號都進行了隔離。

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審核編輯 :李倩

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原文標題:硬件接口協議之“CAN總線硬件基礎”

文章出處:【微信號:zhuyandz,微信公眾號:FPGA之家】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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