CAN总线硬件设计指南：从物理层到接口防护的关键要点

CAN总线硬件设计指南：从物理层到接口防护的关键要点

CAN（Controller Area Network）总线是一种国际标准化的异步串行通信协议，广泛应用于汽车电子和工业控制领域。本文将详细介绍CAN总线的硬件设计要点，包括物理层参数、传输距离、终端匹配电阻以及接口防护等关键环节，为从事相关领域工作的技术人员提供全面的技术指导。

CAN总线基本参数要求

与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN总线标准包括物理层、数据链路层。在硬件设计时，需要特别注意以下参数：

• 内部电容值：CANH、CANL相对低的内部电容值Cin≤20pF/1Mbps；
• 差动内部电容值：Cdiff≤10pF/1Mbps；
• 内部电阻值：5KΩ≤Rdiff≤50KΩ，各节点内部电阻应保持一致，误差不超过5%；
• 差动内部电阻值：10KΩ≤Rdiff≤100KΩ，各节点内部电阻应保持一致，误差不超过5%；
• 驱动电压：在节点数为110个（包括主控设备与被控设置），配置两个120Ω的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V（终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关）。

CAN总线传输距离

CAN总线网络的线路布局应尽可能接近线性结构以减少电缆辐射。在实际应用中，如果需要连接短的分支电缆到主干线电缆上，如图1所示，为了将驻波减到最少，网络上节点的间隔不应相等，且电缆的长度也不完全等长。网络尺寸的要求见表1所示：

CAN总线终端匹配电阻

根据ISO11898-2，CAN总线传输介质应满足表2、3中的规格参数：

• 传输双绞线参数：推荐使用特征电阻为120Ω、延时为5ns/m的电缆。
• 终端电阻选择：为了把电缆直电阻引起的电压衰减降到最小，可以考虑匹配较大的终端电阻值（例如选用非标准的150Ω-300Ω）。ISO11898-2指出的参考值为118Ω<RL<130Ω。

实际接线中通信质量的影响因素

• 通信距离：通信距离越短，通信质量越好。如果通信距离超过500米，推荐增加中继器；
• 通信节点数：通信节点数越少，通信质量越好。如果节点数量超过100个，推荐增加中继器；
• 通信波特率：通信波特率越低，通信质量越好。在能够满足应用需求的情况下，尽量选取较低的通信波特率。推荐在10K~250Kbps之间选取；
• 端口防护器件：CANH、CANL端口之间的防护器件，其等效电容越小，对通信影响越小。所以在端口防护器件（TVS管、压敏电阻等）的选取上要考虑其等效电容参数；
• 支线长度：每个通信节点的支线长度应尽量的短，减小支线信号反射对总线数据的影响；
• 终端匹配电阻：合适的终端匹配电阻能有效的减小信号反射，一般推荐接120Ω电阻；
• 屏蔽双绞线：使用屏蔽双绞线，将所有通信节点的参考地通过屏蔽层联接，并在一点接地，能减少干扰，提高通信质量。

CAN接口硬件设计应注意的问题

CANH、CANL总线端口的隔离设计

CAN总线节点一般以菊花链或总线拓扑方式联网，一旦有一个节点的接口芯片故障就可能对整个网络的通讯质量造成影响，因此对其总线端口CANH、CANL与总线之间应加以隔离。当一个节点的接口芯片发生CANH、CANL短路或CANH、CANL对电源击穿时，总线与节点之间形成电势垒，从而减小对总线的影响。

CAN总线端口防护

CAN总线通信，一般应用在远距离传输方面，所以CANH、CANL总线端口的防雷设计也是设计者必须考虑的。通常的防雷设计电路如图3。

总线参考地的连接

CAN总线虽采用差分方式传输信号，似乎并不需要相对于某个参照点来判定信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但设计者也应该考虑CAN接口模块的共模电压承受范围，只有满足这个条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。采用隔离技术能够很好的解决共模噪声的问题，所以使用CA-IS3050系列CAN隔离收发器构建总线硬件端口能够很好的隔断总线上各节点的接地环路，减小节点间的地线环路电流，从而减小共模干扰。但对于干扰严重、恶劣的电气环境，仍然推荐设计者使用屏蔽双绞线，通过屏蔽层将总线上各通信节点的总线参考地联接起来，减小共模传导及辐射干扰，提高系统通信可靠性。

常见问题及解决方案