CAN总线在工业网络方面的需求分析

自1987年出现第一个控制器局域网（CAN）以来，曾经的汽车网络接口现已扩展到工业应用领域。随着占用面积的扩大，对总线长度更长，总线节点更多，数据吞吐量更高，电压隔离度更高的收发器的需求越来越大。

目前有20多家半导体公司提供器件，设计人员有很多决策要做在选择最佳设备之前，需要充分了解规范的细微差别及其最新迭代。为此，我们将深入研究规范和主题，例如不对称，然后让您快速了解一些有趣的CAN设备以及如何充分利用它们。

为什么选择CAN？

控制器局域网（CAN总线）最早是在20世纪80年代初由Robert Bosch GmbH开发的。第一批CAN控制器芯片于1987年在市场上推出，第一辆实现CAN总线的车辆于1988年上市。在此后的近30年里，CAN总线的使用在全世界的车辆中无处不在，包括公共汽车，火车，飞机和轮船在内的各种运输方式。

它还广泛应用于工厂自动化，农业和重型设备，医疗设备，电梯和电梯控制等许多工业环境中。它非常适合作为低成本，低协议开销，具有错误检测和重传功能的确定性网络的许多嵌入式控制应用。

超过20家半导体公司提供支持CAN总线的设备，并且有许多工具供应商以及可用的商业和开源软件版本 - 从驱动程序到中间件和更高级别的协议栈。

让我们来看看CAN总线的一些特性，这些特性使它在许多方面都很有用设置。

CAN架构

CAN是一种多主串行总线，可连接两个或多个电子模块或节点。总线互连（通常）是具有差分信令的双线双绞线。 CAN物理层收发器将CAN协议逻辑1和0转换为总线上的显性和隐性位，如图1所示。

图1 ：CAN总线信令。两个CAN引脚（CAN_H和CAN_L）形成差分对。通过收发器开漏驱动器将总线驱动到显性状态（逻辑0）。在隐性状态下，线路不被驱动，因此回落到它们的标称电压。 （来源：Digi-Key Electronics）

CAN收发器驱动器是一种开漏配置，允许多个驱动器一次性作用于总线而不会发生冲突。总线的自然（未驱动）状态是隐性状态（逻辑1）。当节点驱动总线时，隐性状态将被覆盖为显性状态，这表示逻辑0。

CAN消息传递是通过一组称为帧的比特来完成的。有四种帧类型，但主要类型是数据帧，如图2所示。

图2： CAN数据帧的格式。新帧以前一帧的IFS（帧间间隔）之后的SOF（帧开始）开始。 （来源：Digi-Key Electronics）

所有节点都可以尝试同时传输，但一次只允许一条消息在总线上传输。这可以通过仲裁字段实现。

在帧起始同步位之后，所有发送节点在仲裁阶段发送它们的消息标识符。标识符代表消息的优先级 - 数字越小，优先级越高（记住，显性位胜过隐性）。最低标识符赢得仲裁。失败者停止传输并将其消息排队以在下一帧中再次尝试。

获胜者继续发送控制字段（表示要遵循的数据字节数），数据和循环冗余校验（CRC）位。在确认（ACK）字段期间，接收到没有错误消息的所有接收节点都发送0位。

这种直接帧内响应是CAN的强大功能之一：发送节点立即知道如果他们有一个无差错的传输。然而，这对比特率施加了限制，因为总线总长度的双向传播时间不得长于确认主导脉冲。

现在称为经典CAN网络的另一个限制是每条消息的数据位数限制为最多8位。当CAN首次引入时，这对于车辆节点是足够的，但是今天的车辆内部和外部系统通常处理更大的数据尺寸。 8字节限制也会影响总线效率。为了发送64位数据，46个或更多协议位用于仲裁，控制，CRC等。

CAN FD救援

CAN灵活数据，或CAN FD，在2012年推出，以帮助解决古典CAN的一些局限性。 CAN FD允许以两种不同的比特率传输CAN数据帧：仲裁，控制和确认的速率较慢，字段以及数据字段的速率更快。

由于确认包含在数据字段比特率较慢的速率可以更高，因为它不受总线上的双向支持延迟的影响，只有发送器和接收器延迟和总线特性限制了数据速率。该方法还允许与现有CAN控制器向后兼容。此外，CAN FD数据帧支持多达64字节的数据以及额外的CRC位，即使数据字段较长，也可保持汉明距离为6。

CAN收发器规范在ISO 11898-2中有详细说明。该文档的最新版本为收发器的发送器和接收器部分添加了prop延迟规范，并将总环路延迟（TXD至RXD）定义为小于255 ns。由于CAN驱动器不是推挽式，因此发送器和接收器延迟对于显性到隐性和隐性到显性转换是不对称的。

ISO 11898-2现在规定了最大不对称性延迟，以及收发器内部循环时间。这很重要，因为不对称会导致隐性位缩短，这成为数据速率的限制因素。为了正确设计网络，需要知道不对称限制。

ISO 11898-2发送器延迟不对称规范定义为驱动60Ω，100 pF总线负载时产生的隐性位宽，如表1所示。

数据相位比特率位标称宽度总线隐性Min Buss隐性最大值2 Mbit/s 500 ns 370 ns 570 ns 5 Mbit/s 200 ns 110 ns 225 ns

表1：发送器驱动60Ω100pF总线负载时指定延迟。 （来源：ISO 11898-2）

接收机延迟不对称性，表示为与标称位时间的偏差，如表2所示。

数据相位比特率最小偏离正常最大偏差从正常2 Mbit/s -65 ns 40 ns 5 Mbit/s -45 ns 15 ns

表2：接收器延迟不对称性表示为与标称位时间的偏差。 （来自ISO 11898-2的数字）

将最小和最大偏差添加到标称值会给出最坏情况的最小和最大隐性位宽（不包括其他网络因素，如振铃），如表所示3。

数据相位比特率位标称宽度总线隐性最小总线隐性最大最小偏离正常最大偏离正常2 Mbit/s 500 ns 435 ns 530 ns -65 ns 30 ns 5 Mbit/s 200 ns 155 ns 210 ns -45 ns 10 ns

表3：最坏情况的最小和最大隐性位宽度是通过添加最小和最大偏差得出的。 （来自ISO 11898-2的数字）

请注意，为5 Mbit/s数据速率指定的不对称性比2 Mbit/s更严格。高数据速率收发器可用于低数据速率网络以利用这一点。

单个CAN收发器中的环路延迟不对称通常小于上面显示的最坏情况计算并且在CAN FD收发器中规定了它们支持的数据比特率。

支持更高数据速率的CAN FD收发器现在已经上市。 Microchip Technology的MCP2542FD就是一个例子，见图3.

图3：Microchip的MCP2542FD CANFD收发器支持高达8 Mbits/s的传输，具有改进的支路延迟和环路延迟不对称性。 （来源：Microchip Technology）

其收发器环路延迟（TXD输入转换到RXD输出）为120 ns，而ISO 11989-2规范为255 ns。环路延迟不对称性（取自数据手册）也有所改进，如表4所示。

数据相位比特率位标称宽度总线隐性最小总线隐性最大值2 Mbit/s 500 ns 450 ms 550 ms 5 Mbit/s 200 ns 160 ms 220 ms 8 Mbit/s 200 ns 85 ns 140 ns

表4：MCP2542FD收发器数据表中的环路延迟不对称性。 （来源：Microchip Technology）

目前没有针对8 Mbit/s收发器的ISO 11989-2规范，但通过预测需求，MCP2564FD可在较低的比特率下提供更高的性能。它还具有非常低（4μA）的待机电流和唤醒总线活动。根据ISO 11898-2规范，还有一个支持CAN总线唤醒模式（WUP）的版本。

工业用途的含义

CAN FD规范的主要驱动程序是为了在汽车装配线末端以更快的速度支持更大的数据有效载荷。使用Classic CAN，可能需要几个小时才能以500 kbit/s的速度运行。通过使用CAN FD提供的32字节数据有效载荷，仅通过扩展有效载荷并将数据速率提高到2 Mbit/s就可以实现4倍的改进。使用64字节有效载荷和5 Mbit/s，可以提高10倍以上的带宽。

由于相当于8个经典CAN数据帧可以与一个CAN FD帧一起发送，因此协议开销是显着减少。这种总线效率的提高在工业环境中非常有用，特别是如果由于长总线而导致数据速率较低。利用较少的开销比特，可以以较慢的数据速率传输更多数据，并且仍然保持延迟要求。

CAN FD更大数据量的另一个优势是改善了对数据一致性的支持。这方面的一个例子是在多轴运动控制器中，其中必须具有控制器位置的时间同步视图。这些数据集大于可在一个经典CAN帧上传输的数据集，但适合CAN FD帧。将这些数据组合成一个消息传输的总线效率再次提高是另一个好处。

ISO 11898标准规定最大电缆长度为40米，最大存根长度为0.3米，最大节点为30个节点。 1 Mbit/s仲裁阶段比特率。这适用于汽车应用，但这些限制并不适合许多工业用例。幸运的是，可以通过仔细的网络设计来调整总线速度，总线长度，线缆大小和节点数量。

CAN in Automation（CiA）等行业组织发布了扩展网络配置的规范和建议。例如，CiA 102 CAN工业应用物理层文档推荐以下标准比特率，如表5所示。

比特率标称比特时间1 Mbit/s1μs800kbit/s1.25μs500kbit/s 2μs250kbit/s4μs125kbit/s8μs50kbit/s20μs20kbit/s50μs10kbit/s100μs

表5：工业应用的推荐仲裁相位比特率。总线上的所有节点必须以相同的数据速率运行。 （来源：CAN in Automation）

此外，CiA 303为少于64个节点的网络提供标准DC参数的建议，如表6所示.CiA还为更大的节点网络提供建议。

总线长度[m]总线电缆 1 终端电阻[Ω]比特率[kbit/s]长度相关电阻[mΩ/m]横截面[mm²] 0到40 70 0.25到0.34 124 1000 40 m 40到300 < 60 0.34至0.6 150至300 100 500 m 600至1000 <26 0.75至0.8 150至300> 50 at 1 km

表图6：针对64个节点的网络的标准DC参数的CiA 303建议。 （来源：CAN in Automation）

推荐电缆交流参数：120Ω阻抗和5 ns/m特定线路延迟

表2：建议总线电缆参数，终端电阻和扩展总线长度的最大比特率。

CAN FD收发器（如MCP2564FD）是更长总线长度的理想选择，因为它们改善了传播延迟和环路延迟对称性，可提供额外的总线余量

另一款具有工业优势的CAN FD收发器是德州仪器的TCAN337G单收发器（图4）。

图4：德州仪器（TI）的TCAN337G功能框图。其增强的驱动器和接收器规格使其适用于具有大量节点的CAN网络。 （德州仪器公司提供）

TCAN337G符合ISO 11989-2规范的2 Mbit/s和5 Mbit/s数据速率，但具有改进的驱动程序规范，可以满足最小差分总线具有50Ω负载而非标称60Ω负载的电压。最小差分输入电阻为30kΩ，是大多数收发器的三倍。这些改进的最终结果是，如果所有收发器都是TCAN337G器件，则可以在网络上放置多达120个节点，耦合电阻为330Ω（长达1000米）。

TCAN337G还具有故障引脚，可报告TXD和RXD主导超时故障，热关断和低压锁定条件，使其对高可靠性系统非常有用。该器件还可以在低功耗状态下进入休眠状态，并支持ISO 11898 CAN总线唤醒模式（WUP）。

电动或混合动力汽车中的高压系统，发电或能量存储系统需要电隔离网络以防止电击危险。这通常通过光学隔离器完成。但是，通过这些隔离器的延迟时间会增加收发器的环路延迟，使其不适合CAN FD应用。恩智浦的TJA1052i采用新型电容隔离技术解决了这一问题，该技术可提供高达5 kV（RMS）的隔离，见图5.

图5：对于高压系统，恩智浦的TJA1052i CAN FD收发器采用电容电流隔离，可实现5 kV短路隔离延迟时间以支持CAN FD数据速率。 （由NXP Semiconductors提供）

隔离位于RXD和TXD引脚与电路的其余部分之间。在屏障的输入信号侧（例如TXD引脚），如果输入信号为1（或隐性），则启用RF振荡器。然后，该信号在屏障上电容耦合，由RF解调器接收。解调信号的存在表示隐性状态;没有射频能量是主导状态。除了RF振荡器和解调器位于屏障的相对侧之外，该方案对于RXD以相同的方式工作。这种隔离方法增加了非常小的延迟，使TJA1052i能够支持2 Mbits/s和5 Mbits/s的CAN FD速率。

电流隔离收发器还可以改善嘈杂环境中的CAN信号完整性。高逆变器开关电流会引起大的接地噪声，这些噪声可能会耦合到信号线上并破坏数据传输。隔离这些信号消除了消息损坏的根源，可以显着提高噪声系统的吞吐量。

结论

自首批产品出现以来，CAN总线不断发展以满足新的要求。通过CAN FD，组件制造商不断创新，以便为具有更高性能要求的特定应用优化网络。有超过20个供应商家族可供选择并得到广泛而强大的工具链的支持，CAN定位于现在和将来支持工业网络需求。