CAN总线的基本概念和设计要素

‌CAN总线(Controller Area Network)设计‌涉及多个关键方面，包括硬件设计、软件实现、通信协议以及实际应用中的挑战和解决方案。

CAN总线的基本概念和设计要素

CAN总线是一种多主机的串行通信协议，由德国BOSCH公司开发，主要用于现代汽车中的电子控制单元(ECU)之间的数据交换。CAN总线具有以下主要特点：

‌多主站操作‌：任何节点都可以在任何时刻发送消息，不分主次。

‌非破坏性仲裁‌：当多个节点同时发送消息时，优先级高的节点可以继续传输，低优先级的节点会退出发送。

‌灵活的通信介质‌：可以使用双绞线、同轴电缆或光导纤维。

‌高通信速率‌：最高可达1Mbps，但实际应用中通常在500kbps左右。

‌强抗干扰能力‌：采用差分信号传输，具有很高的电磁兼容性。

‌错误处理‌：支持CRC校验，能够检测和纠正错误‌1。

CAN总线的硬件设计

CAN硬件电路主要包括物理层和数据链路层。物理层负责信号的传输与接收，是确保CAN总线性能的关键。物理层特性包括电平标准和终端电阻的作用。CAN总线使用差分信号进行数据传输，电平标准有高速CAN和低速容错CAN。高速CAN适用于高实时性和高速率的应用，如汽车发动机控制系统;低速容错CAN则适用于低速率但需要高可靠性的应用，如车身控制系统‌2。

CAN总线的软件实现和调试

基于FPGA的CAN总线控制器设计包括协议解析、通信控制器程序的基本框架和具体实现。程序通过仿真与测试进行验证。CAN总线通过报文滤波实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送数据，无需专门的调度。数据采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果‌13。

实际应用中的挑战和解决方案

在实际应用中，CAN总线设计面临的主要挑战包括电磁干扰、总线冲突和错误处理。为了解决这些问题，可以采用以下策略：

‌电磁屏蔽‌：使用屏蔽双绞线或光纤来减少电磁干扰。

‌终端电阻匹配‌：在总线两端添加终端电阻，减少反射和信号衰减。

‌错误检测与纠正‌：采用CRC校验和错误处理机制，确保数据传输的可靠性‌12。

一、定位干扰原因

当总线有干扰时，有经验的工程师能够迅速定位，但是对于新手来说却很麻烦。造成总线干扰的原因有很多，比如通过电磁辐射耦合到通讯电缆中、屏蔽线接地没处理好、隔离了通讯没有隔离电源等。通过下图我们可以推导出，现场的干扰不是通过电磁辐射进来，整车的网络也没有干扰，基本可以断定干扰就是电机驱动器的CAN通讯没隔离好。

图1 定位干扰原因

二、消除延时误差的方法

为了减小延时，增加通讯距离和降低通讯错误率，我们可以采取以下措施：

采用磁隔离的CTM1051方案设计接口收发电路;

用较粗的导线代替细导线，标准为1.5线缆(延迟为5ns/m);

使用镀金或镀银的线缆;

增加网桥中继设备CANBridge延长通讯距离;

采用光纤传输，如致远电子的CANHUB-AF1S1，同等波特率可延长1倍通讯距离。

三、信号地(CAN-GND)

1、信号地概念

信号地也称为隔离地，为使电子设备工作时有一个统一的参考电位，避免有害电磁场的干扰，使设备稳定可靠的工作，设备中的信号电路统一参考地，即CAN-GND。

2、信号地处理

许多实际应用中，设计者常直接将每个节点的参考地接于本地的大地，作为信号的返回地，看似正常可靠的做法，却存在极大的隐患!

信号地(CAN-GND)正确的接法主要分为两种：

单屏蔽层线缆：如果线缆是单屏蔽层，信号地理想接法是使用专门的信号线将所有节点信号地连接，起到参考地的作用。但如果缺少信号地线，亦可将所有节点信号地都连接到屏蔽层，但这样屏蔽效果亦差强人意。

图2 带有屏蔽层双绞线

图3 含信号地线双绞线连接方式

图4 信号地与屏蔽层连接方式

双屏蔽层线缆：当使用双层屏蔽电缆时，需要将所有节点信号地连接到内屏蔽层，若使用非屏蔽线进行数据传输时，请保持信号地管脚悬空处理。

图5 双屏蔽层信号地处理方式

所有节点信号地接到屏蔽层或者双屏蔽层的内层后，屏蔽层处理方式注意为单点接地，不可多点接地，否则会在信号地线上形成地环流。

另外，单点接地时为了加大供电地和信号地之间的隔离电阻，阻止共地阻抗电路耦合产生的电磁干扰，注意采用隔离浮地设计，通过阻容方式将屏蔽层与外壳隔离。

图6 未进行单点接地处理的报文受到电磁干扰