CAN網(wǎng)絡的拓撲種類

 

控制器局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network），是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，最初是由德國Bosch公司設計的，為解決現(xiàn)代汽車中眾多控制單元、測試儀器之間的實時數(shù)據(jù)交換而開發(fā)一種串行通信協(xié)議。CAN網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)主要有線形拓撲、星形拓撲、樹形拓撲和環(huán)形拓撲等。

 

線形結(jié)構(gòu)如下圖所示，其特點是一條主干總線，在總線上分出支線到各個節(jié)點，其優(yōu)點在于布線施工簡單，阻抗匹配規(guī)則固定，接線比較方便，缺點是拓撲不夠靈活，在一定程度上影響通訊距離；

 

 

星形拓撲如下圖所示，其特點是每個節(jié)點通過中央設備連到一起，優(yōu)點是容易擴展，缺點是一旦中央設備出故障會導致總線集體故障，而且分支線長不同，阻抗匹配復雜，可能需要通過一些中繼器或集線器進行擴展；

 

 

樹形拓撲如下圖所示，其特點是分支比較多，且分支長度不同，優(yōu)點是布線方便，缺點是網(wǎng)絡拓撲復雜，阻抗匹配困難，通訊中極易出現(xiàn)問題，必須加一些集線器設備；

 

 

環(huán)形拓撲如下圖所示，其特點是將CAN總線頭尾相連，形成環(huán)狀，優(yōu)勢是線纜任意位置斷開，總線都不會出現(xiàn)問題，缺點是信號反射嚴重，無法用于高波特率和遠距離傳輸。

 

 

雖然CAN總線可以有多種網(wǎng)絡拓撲，但在實際應用當中比較推薦使用線形拓撲，且在IOS-11898-2中有高速CAN物理層規(guī)范，其中推薦的CAN網(wǎng)絡拓撲也是線形拓撲，下面就針對線形拓撲網(wǎng)絡CAN支線過長問題進行分析。

 

支線過長帶來的問題

 

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

 

 

邊沿臺階出現(xiàn)的源頭主要是CAN節(jié)點的分支，分支過長形成的反射就變強，將會導致位寬度失調(diào)的錯誤。ISO11898中只規(guī)定1M波特率下分支不超過0.3米，支線過長會直接導致總線阻抗匹配問題發(fā)生，阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負載之間達到一種適合的搭配，阻抗匹配主要為了調(diào)整負載功率和抑制信號反射，所以一旦阻抗匹配出現(xiàn)問題，就出現(xiàn)了上圖中的上升沿和下降沿的臺階。

 

解決支線過長的辦法

 

如果我們的總線存在支線過長的問題，那么該怎么辦呢？我們下面提供幾種解決方案：

 

1、減小分支長度

 

在CAN網(wǎng)絡布局的根源上解決問題的方式就是減少CAN節(jié)點的分支長度，從而降低信號反射，保證位寬的穩(wěn)定性。如上圖波形實驗中，其它條件不變，只將分支長度減少為20cm，此時并沒有看到邊沿臺階的出現(xiàn)。由此可見，減少分支長度是消除邊沿臺階的最直接方式。

 

 

2、長分支上加適當電阻

 

在網(wǎng)絡布局無法改變，分支引起的信號反射必須存在的情況下。最實用的方法就是在長分支末端加上電阻，消除信號反射。同樣的在上述實驗中，在分支節(jié)點處加上一個200Ω的電阻，其它條件不變進行通信實驗。下圖為實驗的CAN波形圖，此時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候應小于500Ω。

 

 

3、增加CAN中繼器或集線器

 

當然很多場合是在出現(xiàn)了問題之后才發(fā)現(xiàn)支線過長，當重新布線或更改節(jié)點本身都無法操作的情況下，我們也有解決方案，那就是在過長的支線上增加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)絡的連接。

 

所以無論是標準規(guī)定，還是現(xiàn)場實際應用，都告訴我們要保證CAN總線網(wǎng)絡良好運行，其支線長度不能過長，為了CAN保證CAN網(wǎng)絡的健康，請大家一定要規(guī)范使用。

 

 

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