CAN总线缺少终端电阻现象解析
时间：2021-12-07 16:22:24
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[导读]在进行CAN总线通信前，应保证正确的总线配置，比如终端电阻。它是影响总线通信的重要组件，下面我们不考虑信号的完整性，只从信号幅度和时间常数方面分析不加终端电阻时的影响。 终端电阻添加要求根据ISO11898-2对终端电阻的取值规定，必须在总线的首尾两端各挂一个120Ω的终端电阻...
在进行CAN总线通信前，应保证正确的总线配置，比如终端电阻。它是影响总线通信的重要组件，下面我们不考虑信号的完整性，只从信号幅度和时间常数方面分析不加终端电阻时的影响。
终端电阻添加要求根据ISO11898-2对终端电阻的取值规定，必须在总线的首尾两端各挂一个120Ω的终端电阻，即总线上加60Ω的终端电阻，而中间节点则不需要挂终端电阻，如图1所示。 图1 终端电阻
不加终端电阻时的影响如图2所示，假如我们按照ISO11898标准要求，使用CANScope测试时，加上60Ω的终端电阻，然后以250Kbps的波特率自发自收数据，可以看到报文可以正常发送，且关联的波形也正常。 图2 加终端电阻CANScope自发自收现象
假如CANScope在不加终端电阻的时候，以250Kbps的波特率自发自收数据，如图3所示，发送的数据都是帧ID错误，且关联的波形也出现异常。 图3 未加终端电阻CANScope自发自收现象
对于报文数据，从关联的波形数据可以看到，上升沿没有任何问题，但是下降沿相对于加终端电阻的波形缓慢很多，一直未达到隐性状态，这些是为什么呢？下面我们对其进行一一的解析。1、为什么影响下降沿？众所周知，CAN总线的传输方式是差分传输方式，而总线电平的判断，就是CAN收发器根据CANH和CANL线缆之间的差分电压（CANH-CANL）来判断的，总线上传输的电平信号只有两种可能，一是显性电平，二是隐性电平，其中显性电平代表逻辑0，隐性电平代表逻辑1。
首先我们看一下CAN收发器的内部结构，如图4所示： 图4 CAN收发器内部结构
当总线电平为显性时，收发器内部的Q1、Q2处于导通状态，此时CANH、CANL之间会产生压差；当总线电平为隐性时，收发器内部的Q1、Q2处于截止状态，此时CANH、CANL处于无源状态，压差为0。所以当隐性状态变为显性状态（上升沿）时，主要由收发器中的驱动模块作用，当显性状态变为隐性状态（下降沿）时，是通过整条总线与终端电阻放电产生的，所以总线的终端电阻是影响下降沿缓慢程度的主要物理因素。2、下降沿为什么迟迟达不到隐性状态？前面提到，下降沿缓慢程度，受终端电阻的影响，是如何影响的，那这就和时间常数τ有关系了。我们知道，时间常数可由电容（C）和负载电阻（R）确定，即τ=RC，所以当总线上无终端电阻时，CANH和CANL之间的阻值很大，例如CANScope，在未加终端电阻时，测量的电阻值，约91KΩ左右，所以根据时间常数的公式，τ值会很大，所以无法快速消耗掉总线上寄生电容上的电能，从而导致下降沿缓慢，迟迟达不到隐性状态。 图5 RC电路
3、为什么会产生错误帧？如图6所示，是图3对应的示波器截图，从图中看出，当光标区域的ΔX为一个位，即4us时，差分信号在光标B处的电压YB为3.341V，远高于CAN规范中的隐性电平判断上限值0.5V，显性电平判断下限值0.9V，所以此时的位被判断为显性位，而又由于时间常数远大于250Kbps波特率下的位时间，所以会有超过5个位被判断为显性位，从而破坏了CAN规范中的填充规则，出现了帧ID填充错误。 图6 250Kbps波特率波形细节
为了加深对错误帧产生原因的了解，我们举一个反例，看位时间远大于无终端电阻情况下的时间常数时，会出现什么样的现象。
下面以CANScope不加终端电阻，波特率为10Kbps进行自发自收为例，如图7所示，CANScope报文列表中，无错误帧产生。通过观察同步的示波器截图，如图8所示，光标区域ΔX为45.6us时，差分信号在光标B处的电压YB为0.4813V，又由于CANScope默认的采样点是75%在光标区域之后，所以此时可正常判断该位为隐性，从而不会导致错误帧的产生。 图7 10Kbps波特率发送报文图8 10Kbps波特率波形细节
终端电阻添加的方法在使用CANScope作为测量设备时，除了用户自己外部添加终端电阻的方法外，还可以通过软件配置给被测节点或网络添加终端电阻，其添加的方法，会根据不同的PORT头配件，选择不同的配置方法。当使用标配件P8251T、P1040T时，勾选图9中的启用终端电阻，即可在总线上添加120Ω的终端电阻；当选配件使用StressZ时，如图10中的RHL，可根据需要设置对应的终端电阻。 图9 标配件P8251T、P1040T终端电阻设置 图10 选配件StressZ终端电阻设置
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终端电阻添加要求根据ISO11898-2对终端电阻的取值规定，必须在总线的首尾两端各挂一个120Ω的终端电阻，即总线上加60Ω的终端电阻，而中间节点则不需要挂终端电阻，如图1所示。 图1 终端电阻
不加终端电阻时的影响如图2所示，假如我们按照ISO11898标准要求，使用CANScope测试时，加上60Ω的终端电阻，然后以250Kbps的波特率自发自收数据，可以看到报文可以正常发送，且关联的波形也正常。 图2 加终端电阻CANScope自发自收现象
假如CANScope在不加终端电阻的时候，以250Kbps的波特率自发自收数据，如图3所示，发送的数据都是帧ID错误，且关联的波形也出现异常。 图3 未加终端电阻CANScope自发自收现象
对于报文数据，从关联的波形数据可以看到，上升沿没有任何问题，但是下降沿相对于加终端电阻的波形缓慢很多，一直未达到隐性状态，这些是为什么呢？下面我们对其进行一一的解析。1、为什么影响下降沿？众所周知，CAN总线的传输方式是差分传输方式，而总线电平的判断，就是CAN收发器根据CANH和CANL线缆之间的差分电压（CANH-CANL）来判断的，总线上传输的电平信号只有两种可能，一是显性电平，二是隐性电平，其中显性电平代表逻辑0，隐性电平代表逻辑1。
首先我们看一下CAN收发器的内部结构，如图4所示： 图4 CAN收发器内部结构
当总线电平为显性时，收发器内部的Q1、Q2处于导通状态，此时CANH、CANL之间会产生压差；当总线电平为隐性时，收发器内部的Q1、Q2处于截止状态，此时CANH、CANL处于无源状态，压差为0。所以当隐性状态变为显性状态（上升沿）时，主要由收发器中的驱动模块作用，当显性状态变为隐性状态（下降沿）时，是通过整条总线与终端电阻放电产生的，所以总线的终端电阻是影响下降沿缓慢程度的主要物理因素。2、下降沿为什么迟迟达不到隐性状态？前面提到，下降沿缓慢程度，受终端电阻的影响，是如何影响的，那这就和时间常数τ有关系了。我们知道，时间常数可由电容（C）和负载电阻（R）确定，即τ=RC，所以当总线上无终端电阻时，CANH和CANL之间的阻值很大，例如CANScope，在未加终端电阻时，测量的电阻值，约91KΩ左右，所以根据时间常数的公式，τ值会很大，所以无法快速消耗掉总线上寄生电容上的电能，从而导致下降沿缓慢，迟迟达不到隐性状态。 图5 RC电路
3、为什么会产生错误帧？如图6所示，是图3对应的示波器截图，从图中看出，当光标区域的ΔX为一个位，即4us时，差分信号在光标B处的电压YB为3.341V，远高于CAN规范中的隐性电平判断上限值0.5V，显性电平判断下限值0.9V，所以此时的位被判断为显性位，而又由于时间常数远大于250Kbps波特率下的位时间，所以会有超过5个位被判断为显性位，从而破坏了CAN规范中的填充规则，出现了帧ID填充错误。 图6 250Kbps波特率波形细节
为了加深对错误帧产生原因的了解，我们举一个反例，看位时间远大于无终端电阻情况下的时间常数时，会出现什么样的现象。
下面以CANScope不加终端电阻，波特率为10Kbps进行自发自收为例，如图7所示，CANScope报文列表中，无错误帧产生。通过观察同步的示波器截图，如图8所示，光标区域ΔX为45.6us时，差分信号在光标B处的电压YB为0.4813V，又由于CANScope默认的采样点是75%在光标区域之后，所以此时可正常判断该位为隐性，从而不会导致错误帧的产生。 图7 10Kbps波特率发送报文图8 10Kbps波特率波形细节
终端电阻添加的方法在使用CANScope作为测量设备时，除了用户自己外部添加终端电阻的方法外，还可以通过软件配置给被测节点或网络添加终端电阻，其添加的方法，会根据不同的PORT头配件，选择不同的配置方法。当使用标配件P8251T、P1040T时，勾选图9中的启用终端电阻，即可在总线上添加120Ω的终端电阻；当选配件使用StressZ时，如图10中的RHL，可根据需要设置对应的终端电阻。 图9 标配件P8251T、P1040T终端电阻设置 图10 选配件StressZ终端电阻设置
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