CAN网络端接电阻研究及应用

CAN 网络端接电阻研究及应用

李涛

珠海格力电器股份有限公司 广东省珠海市 519000

摘要：CAN通讯具有无主特性在许多领域都得到广泛应用。但由于其网络节点多、通讯速率快等因素也容易造成通讯异常，这些问题大多与CAN网络的端接电阻相关。本文介绍了

CAN网络的端接电阻的作用并结合实际应用对端接电阻的用法进行研究，得出了在不同应用需求下端接电阻的设计方法，可指导实际工程应用[1][4]。

关键词：CAN 端接电阻 设计方法

引言

通讯质量是检验一个控制系统的重要因素，通讯失效将带来一系列问题，严重的将造成生命财产损失。本文针对CAN通讯网络的端接电阻进行研究及实际效果验证，针对不同应用需求给出了一些参考设计方案，可较大提升CAN通讯网络的通讯质量，减少不必要的通讯问题。

1. 端接电阻的作用

1.1减少反射，避免振荡

在通信过程中，有两种原因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。

阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射，速率越高，通讯距离越长，反射现象就会越明显，即反射现象与波长和传输距离相关。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻以达到最好效果[2]。

阻抗不匹配，这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。

阻抗不连续与阻抗不匹配都会造成信号反射，形成“过冲”，增加噪声与辐射，严重影响通信质量。为了提高网络节点的拓扑能力，CAN总线两端需要接有抑制反射的终端电阻， 它对匹配总线阻抗起着非常重要的作用，如果忽略此电阻，会使数字通信的抗干扰性和可靠性大大降低，甚至无法通信[3]。 

1.2 避免短路

CAN是多节点传输，为了消除短路现象，其CAN_H和CAN_L电平的性质是不一样的，如CAN_H的两种逻辑状态为高电平和高阻状态，CAN_L的两种逻辑状态为低电平和高阻，高阻状态其实电平是不确的，因此在差分传输的CAN总线中还起降低CAN_H与CAN_L回路中阻抗的作用，使CAN_H和CAN_L具有确定的电平，所以CAN通信即使线再短也需要在CAN_H与CAN_L之间加一个电阻。 此时电阻并不起匹配作用。

2 接多大阻值的电阻

一般，匹配电阻的大小与传输线的阻抗相关，CAN通信传输介质多采用双绞线。ISO标准推荐的匹配电阻为120欧姆（实际验证可容许有15%左右偏差），可以满足绝大多数情况下的通信，但是如果通信距离过长，还是加120欧姆会对信号有极大危害，此时必须考虑传输线阻抗。因为CAN收发器的驱动能力是一定的，在传了5km后，回路线阻抗（CAN_H+CAN_L）将近250欧，如果加上120欧电阻，那么终端接收节点的收发器所能收到的电压只有1V左右。这样的的电压幅值的抗干扰能力极差的，通讯呈现为时好时坏的现象。故在远距离通讯中，终端电阻建议加到300欧-500欧左右，可以保证信号幅值在1.2V之上[5]。

3 如何接匹配电阻

匹配电阻需要每一个节点都接吗？不是，一般在通信网络两端(或者端点的两个节点)并联两个就可以了，使得通信线两端的阻抗为60欧姆左右，如下图1所示。

CAN_H

Node4

120欧

120欧

CAN_L

……

NodeN

Node3

Node2

Node1

图1 两端端接

阻抗 =60

CAN_H

……

CAN_L

图2 每个节点端接

阻抗

4 测试验证

大量实际工程测试表明，在CAN_H和CAN_L通讯线上添加高频滤波磁珠能有效滤除高频段信号干扰（毛刺），并对通信有正面积极的影响，特别是应用在较大功率的变频控制系统中。同时对通讯线路的EMC效果也会起到改善作用[6][7]。故本文测试波形均是在有增加磁珠的基础上测试。推荐选型：片状磁珠 0603 100M/600R。

4.1 无端接电阻

在不接匹配电阻的情况下，进行了20K、100K、500K及1M的波特率的通信验证。发现在1M波特率下不能正常通信，其他相对低速波特率虽能通信收发数据但质量较差，波形失真严重且干扰大，误码率较大。不满足设计及工程应用要求。具体如下图3、4、5、6所示。

图3 20K波特率通讯波形 图4 100K波特率通讯波形

图5 500K波特率通讯波形 图6 1M波特率通讯波形

故不接端接电阻基本上不能进行正常通信,通信的波特率也会影响到通信的质量，速率越高，信号质量越差。

4.2 接入端接电阻

由于波特率越高，通讯质量越差，我们直接测试在1M波特率下的通讯情况。在通信线一端接单个匹配电阻（大小为120欧姆），可正常通信且通讯波形质量良好，具体如图7所示。说明端接电阻对通讯质量改善起到了较大作用。

图7 单端接匹配电阻1M波特率下的CAN通信波形图

4.3端接电阻个数分析

以5个通讯节点为例，在通信线两端分别接一个匹配电阻（大小为120欧姆），可正常通信，通讯网络波形如图8所示。

图8 5个节点在两端接匹配电阻CAN通信波形图

由图8可知，在通信线两端接端接电阻，发现CAN_H与CAN_L间的压差可保持在3V左右，当每个节点都接匹配电阻时，CAN_H与CAN_L间的压差明显降低了，如图9所示。

图9 5个节点在每个节点都接匹配电阻CAN通信波形图

由图8和图9可看出，端接电阻的个数会影响通讯数据波形的幅值，严重的将影响CAN总线对显性及隐性电平的判断，出现无法通讯的情况[8]。多个电阻与两个电阻相比对通信本身的干扰方面基本不产生影响。同时，在通讯距离较长时，也要考虑到通讯线路本身的阻抗对电压压降造成的影响，可适当调整端接电阻的电阻值已获得较为理想的通讯波形。

5、总结

本文对CAN网络端接电阻的作用，接法进行了论述，并结合实际测试进行验证，得出了一些切实有效的结论，可有效指导相关工程应用。主要有以下6个方面：（1）在低速通信下（波特率小于20k），不接匹配电阻还是可以通信的，但是信号质量差，建议增加；（2）在较高速通信下，为保正通信的可靠性，通信线两端都要接匹配电阻；（3）在节点数较少，通信距离较短的情况下，建议选取官方推荐阻值120欧姆（实际试验该阻值可允许15%左右的偏差）；（4）在通信距离较长，匹配电阻需要根据传输线阻抗做相应调整；（5）通讯线上串联磁珠可抑制高频噪声，减小辐射，对提高通信质量有积极作用，建议在硬件电路上添加；（6）多节点通信并不是接的端接电阻个数越多越好，多了反而会降低通信CAN_H与CAN_L间的电压。如果只接一个匹配电阻，不能有效消除信号反射干扰，在通信线两端各接一个端接电阻就可以达到预期效果。

参考文献:

[1] 瑞萨公司，CAN入门书RCJ05B0027-0100 2006；

[2] 于争，信号完整性揭秘：于博士SI设计手记 机械工业出版社 2013-09-01；

[3] 网上相关资料：https://blog.csdn.net/limanjihe/article/details/109298654；

[4] 杜尚丰，曹晓钟，徐津，CAN总线测控技术及其应用，电子工业出版社，2007；

[5] 网上相关资料：https://bbs.21ic.com/icview-3106598-1-1.html.

[6] Mark I.Montrose，Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance；

[7] 郑军奇 电子产品设计EMC风险评估，电子工业出版社 2008 05。

[8]广州周立功单片机发展有限公司， CAN－bus 规范V2.0 版本；