CAN網(wǎng)絡(luò )的拓撲種類(lèi)

 

控制器局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network），是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一，最初是由德國B(niǎo)osch公司設計的，為解決現代汽車(chē)中眾多控制單元、測試儀器之間的實(shí)時(shí)數據交換而開(kāi)發(fā)一種串行通信協(xié)議。CAN網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構主要有線(xiàn)形拓撲、星形拓撲、樹(shù)形拓撲和環(huán)形拓撲等。

 

線(xiàn)形結構如下圖所示，其特點(diǎn)是一條主干總線(xiàn)，在總線(xiàn)上分出支線(xiàn)到各個(gè)節點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)在于布線(xiàn)施工簡(jiǎn)單，阻抗匹配規則固定，接線(xiàn)比較方便，缺點(diǎn)是拓撲不夠靈活，在一定程度上影響通訊距離；

 

 

星形拓撲如下圖所示，其特點(diǎn)是每個(gè)節點(diǎn)通過(guò)中央設備連到一起，優(yōu)點(diǎn)是容易擴展，缺點(diǎn)是一旦中央設備出故障會(huì )導致總線(xiàn)集體故障，而且分支線(xiàn)長(cháng)不同，阻抗匹配復雜，可能需要通過(guò)一些中繼器或集線(xiàn)器進(jìn)行擴展；

 

 

樹(shù)形拓撲如下圖所示，其特點(diǎn)是分支比較多，且分支長(cháng)度不同，優(yōu)點(diǎn)是布線(xiàn)方便，缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò )拓撲復雜，阻抗匹配困難，通訊中極易出現問(wèn)題，必須加一些集線(xiàn)器設備；

 

 

環(huán)形拓撲如下圖所示，其特點(diǎn)是將CAN總線(xiàn)頭尾相連，形成環(huán)狀，優(yōu)勢是線(xiàn)纜任意位置斷開(kāi)，總線(xiàn)都不會(huì )出現問(wèn)題，缺點(diǎn)是信號反射嚴重，無(wú)法用于高波特率和遠距離傳輸。

 

 

雖然CAN總線(xiàn)可以有多種網(wǎng)絡(luò )拓撲，但在實(shí)際應用當中比較推薦使用線(xiàn)形拓撲，且在IOS-11898-2中有高速CAN物理層規范，其中推薦的CAN網(wǎng)絡(luò )拓撲也是線(xiàn)形拓撲，下面就針對線(xiàn)形拓撲網(wǎng)絡(luò )CAN支線(xiàn)過(guò)長(cháng)問(wèn)題進(jìn)行分析。

 

支線(xiàn)過(guò)長(cháng)帶來(lái)的問(wèn)題

 

在講CAN支線(xiàn)之前，我們來(lái)看一個(gè)CAN的波形圖，如下圖所示，大家仔細查看CAN波形圖，會(huì )發(fā)現CAN波形上存在明顯的上升沿和下降沿臺階現象，因為臺階的存在，從而引起波特率變化，導致接收節點(diǎn)采樣出錯（也稱(chēng)位寬錯誤）。

 

 

邊沿臺階出現的源頭主要是CAN節點(diǎn)的分支，分支過(guò)長(cháng)形成的反射就變強，將會(huì )導致位寬度失調的錯誤。ISO11898中只規定1M波特率下分支不超過(guò)0.3米，支線(xiàn)過(guò)長(cháng)會(huì )直接導致總線(xiàn)阻抗匹配問(wèn)題發(fā)生，阻抗匹配是指信號源或者傳輸線(xiàn)跟負載之間達到一種適合的搭配，阻抗匹配主要為了調整負載功率和抑制信號反射，所以一旦阻抗匹配出現問(wèn)題，就出現了上圖中的上升沿和下降沿的臺階。

 

解決支線(xiàn)過(guò)長(cháng)的辦法

 

如果我們的總線(xiàn)存在支線(xiàn)過(guò)長(cháng)的問(wèn)題，那么該怎么辦呢？我們下面提供幾種解決方案：

 

1、減小分支長(cháng)度

 

在CAN網(wǎng)絡(luò )布局的根源上解決問(wèn)題的方式就是減少CAN節點(diǎn)的分支長(cháng)度，從而降低信號反射，保證位寬的穩定性。如上圖波形實(shí)驗中，其它條件不變，只將分支長(cháng)度減少為20cm，此時(shí)并沒(méi)有看到邊沿臺階的出現。由此可見(jiàn)，減少分支長(cháng)度是消除邊沿臺階的最直接方式。

 

 

2、長(cháng)分支上加適當電阻

 

在網(wǎng)絡(luò )布局無(wú)法改變，分支引起的信號反射必須存在的情況下。最實(shí)用的方法就是在長(cháng)分支末端加上電阻，消除信號反射。同樣的在上述實(shí)驗中，在分支節點(diǎn)處加上一個(gè)200Ω的電阻，其它條件不變進(jìn)行通信實(shí)驗。下圖為實(shí)驗的CAN波形圖，此時(shí)可以看到邊沿臺階已被消減，但是加了電阻之后差分電壓變小，注意差分電壓不得小于0.9V。這里值得一提的是：阻值大于500Ω的電阻吸收反射的能力很弱，所以在末端掛電阻的時(shí)候應小于500Ω。

 

 

3、增加CAN中繼器或集線(xiàn)器

 

當然很多場(chǎng)合是在出現了問(wèn)題之后才發(fā)現支線(xiàn)過(guò)長(cháng)，當重新布線(xiàn)或更改節點(diǎn)本身都無(wú)法操作的情況下，我們也有解決方案，那就是在過(guò)長(cháng)的支線(xiàn)上增加CAN中繼器，典型的如致遠電子CANBridge，甚至可以支持不同波特率的CAN網(wǎng)絡(luò )的連接。

 

所以無(wú)論是標準規定，還是現場(chǎng)實(shí)際應用，都告訴我們要保證CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )良好運行，其支線(xiàn)長(cháng)度不能過(guò)長(cháng)，為了CAN保證CAN網(wǎng)絡(luò )的健康，請大家一定要規范使用。

 

 

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