什么是CAN总线？-3

在一文读懂CAN总线（一）中我们介绍了标准CAN和扩展CAN以及CAN消息类型；在一文读懂CAN总线（二）中为大家介绍了CAN总线的位填充机制、错误检测和故障界定、网络拓扑、终端匹配、电缆与接线、差分信号电压幅值。

 

在本文中将继续为大家深入讲解电缆截面积与通讯距离，波特率、终端匹配电阻与通讯距离，信号延迟与通讯距离和节点最小间距。

 

 

电缆截面积与通讯距离

 

 

电缆截面积对通讯距离影响很大，特别是远距离通讯。远距离传输线上的分布电容、分布电感和直流参数会引起信号衰减。

 

很多CAN通讯应用都具有距离远、波特率低的特性。这种情况下，传输电缆的直流电阻对传输距离影响非常大，因为这个直流电阻会和终端匹配电阻分压。

 

 

 △传输电缆直流电阻分压示意图

 

注意：图中故意忽略了分布电容和分布电感的影响，因此传输的波形没有畸变。

 

如上图所示：

1号节点与2号节点相隔5km，使用的传输电缆直流电阻12.8Ω/km，终端匹配电阻为124Ω；

1号节点发送的波形差分电压幅值为2V，经过5km传输电缆到2号节点时，差分电压幅值大约为1V，信号衰减了一半。

 

我们在一文读懂CAN总线（二）中提到过：CAN总线上的差分电压>0.9V才能被识别成显性电平。而为了保证可靠的数据通讯，常用的经验法则是：最末端节点差分电压幅值不小于1.2V。

 

现在2号节点只有1V差分电压，其可靠性已经变得较低了。
 

 

 

对于双绞线，假设其终端匹配电阻与电缆特性阻抗相同，则截面积与最大通讯距离之间的关系可参考下图：

 

 

 △截面积与最大通讯距离关系

 

为了把电缆直流电阻引起的电压衰减降到最小，较大的终端电阻值（150~300欧姆）有助于增加总线长度。

 

比如使用截面积为1.5 m㎡的双绞线电缆，电缆特性阻抗为120Ω。传输波特率为5kpbs的数据时，使用120Ω的匹配电阻最远可以传输5km，但使用300Ω的匹配电阻则可以传输7km。

 

 

波特率、终端匹配电阻与通讯距离

 

 

通过上文我们已经知道了传输线截面积与通讯距离的关系，下面将保持传输线截面积不变，查看其它参数对通讯距离的影响。

 

 

 △波特率、终端匹配电阻和通讯距离关系图

 

以截面积为1.5 m㎡屏蔽双绞线为例，其波特率、终端匹配电阻与通讯距离的关系如上图所示。

从其中可以看出，当波特率较高时，其通讯距离有限。比如1Mbps，信号隔离后的CAN通讯距离大约为25~30米（大部分的实际项目中都会对CAN通讯模块电气隔离，隔离器件会降低通讯距离）。

 

所以波特率较低时并且将终端匹配电阻增大，可远距离通讯。比如5kbps、终端匹配电阻为390Ω时，通讯距离可达10km。

 

 

信号延迟与通讯距离

 

 

高波特率情况下，制约CAN通讯距离的，是信号延迟。信号经过隔离光耦、传输电缆、ESD器件时，都会引起信号延迟。如果CAN的重同步也不足以弥补这个延迟，就会导致采样错误，最终CRC校验错误。

通过上图（截面积为1.5 m㎡传输电缆的波特率、终端匹配电阻与通讯距离的关系图）中，其中当波特率为1Mbps时，通讯距离大约为30米。30米的通讯电缆，其传输损耗可以忽略不计，此时影响通讯距离的主要是信号延迟。

通常，传输电缆延时为5ns/m、高速光耦延时可达25ns、磁耦合隔离器件延迟3~5ns。

 

在CAN通讯系统中，一个优良的延迟标准是：

 

t1_MAX<0.245×tBIT

 

其中：

t1_MAX：最大延迟时间
tBIT：位时间

以1Mbps为例，其位时间为1us，则t1_MAX < 0.245 × tBIT = 0.245 × 1us = 245ns。信号在1.5 m㎡传输电缆上传输49米就能达到这个延迟时间，另外再加上信号上升/下降沿时间以及隔离器件、ESD器件、PCB走线延时，实际项目中，1Mbps波特率在1.5 m㎡传输电缆上只能传输30米。

这也是为什么RS485波特率可以达到10Mbps甚至50Mbps，而CAN标准最大速率只有1Mbps的原因。

 

下图为判定延迟的参考标准，在实际项目中，推荐信号延迟处于良好一栏标准。

 

 

 △最大延迟参考标准

 

 

节点最小间距

 

 

CAN总线是分布式参数电路，其电气特性和响应主要由沿物理介质分布的电感和电容所决定。这里物理介质包括连接电缆、连接器、终端和沿总线挂接的CAN设备。

 

空载情况下，传输电缆的特性阻抗近似为Z=√(L/C)，其中L为电缆单位长度感抗，C为电缆单位长度电容。

 

随着负载的增加，传输线上的电容增加（负载电容、负载与总线连接线电容），传输电缆特性阻抗相比空载情况下变小。

 

 

  △负载不均衡的CAN总线原理示意图

 

如上图，如果负载比较集中，则负载区传输电缆特性阻抗和空闲区电缆特性阻抗相差较大，从而会引起阻抗不匹配。

 

CAN总线阻抗不匹配会产生信号反射，再加上CAN的仲裁机制：在仲裁期间，两个或更多个节点可能同时发送多个显性位。

 

在上图中，当开关S1在t=0时刻从显性状态切换到隐性状态，CAN驱动器差分输出电压为Vs，总线上的差分信号会由显性状态（Vs）变成稳定的隐性状态（0V）。这个信号波形会沿着总线向下传播，到达总线的负载区时，阻抗不匹配引起的反射电压将返回到源端。

 

负载与负载之间的最小安全距离d是设备集总负载电容CL和电缆的单位长度分布电容C的函数，定义如下：

 

 

 

设备集总负载电容CL包括CAN收发器引脚、连接器、隔离器件、保护器件、印制电路板走线以及其它物理连线的电容总和。

 

下图为最小CAN设备间距与截止电容的详细关系图：

 

 

  △最小CAN设备间距

3.3V的CAN收发器一般能达到16pF电容，具体可以参考收发器数据手册；印制板走线一般0.5pF~0.8pF/cm，这取决于电路板的材质和结构；连接器和保护装置（比如ESD器件）的电容值可能范围会很大，具体要参考设备数据手册；非屏蔽双绞线介质的分布电容大约在40pF/m~70pF/m。