汽车CAN总线原理培训

汽车CAN总线在汽车中有着至关重要的作用，现在日趋成熟的新能源车对CAN网络的需求更加明显，高压电器、低压电器、控制模块之间等必须要用到，可见其重要性。

首先，要了解其核心部件CAN收发器。CAN收发器是连接CAN控制系统与CAN总线网络的桥梁，当选型CAN收发器时应该注意哪些参数，以及它工作的原理？

输入特性

对于隔离CAN收发器，输入主要指连接CAN控制器一侧的输入特性，包含电源输入与信号输入。

根据控制器的CAN接口电压可选择3.3V或5V供电的CAN模块，隔离CAN模块正常输入范围为VCC±5%，主要考虑CAN总线电平能保持在典型值范围内，同时也使次级的CAN芯片工作在标称电源电压附近。

对于单独的CAN收发芯片，需要对芯片的VIO引脚接入与TXD信号电平相同的参考电压，以匹配信号电平，若没有VIO引脚，则应保持信号电平与VCC保持一致。使用CTM系列隔离收发器时需要匹配TXD的信号电平与供电电压一致，即3.3V标准CAN控制器接口或5V标准CAN控制器接口。

传输特性

CAN收发器的传输特性主要为三个参数：发送延迟、接收延迟、循环延迟。

选择CAN收发器时我们认为其延迟参数越小越好，但小的传输延迟会带来什么好处，是什么因素限定了CAN网络的传输延迟？

 

图1 CAN收发器延迟特性

在CAN协议中，发送节点通过TXD发送数据的同时，RXD也在监测总线状态。若RXD监位与发送位不一致，则节点检测到一个位错误。若在仲裁场监测到的与实际发送不符，则节点停止发送，即总线上有多个节点同时发送数据，该节点没有获得数据发送优先权。

同样在数据校验和ACK响应位，均需要RXD实时获取到总线的数据状态。比如网络正常通讯中，排除节点异常，为了可靠接收到ACK响应，就要保证ACK位在一定的时间内传输到控制器的RXD寄存器中，否则发送节点将检测到一个应答错误。在1Mbps下设定采样位置为70%。则从TXD发送，到RXD接收到ACK位，控制器会在ACK位时间起始的70%时间点采样，即整个CAN网络的循环延迟要小于700ns。

在隔离CAN网络中，这个参数主要由隔离器延迟，CAN驱动器延迟，线缆长度决定。因此小的延迟时间有助于ACK位的可靠采样， 增长总线长度。如图2为使用CTM1051KAT收发器两个节点通讯的ACK响应。收发器固有的典型延迟时间约为120ns。

 

图2 CAN网络ACK响应

总线电平

在ISO11898-2规定的高速CAN网络中，通常我们关心差分信号的幅值，这是总线数据传输的关键。目前有少数支持3.3V供电的CAN收发芯片，可直接应用于3.3V的控制系统中。

由于CAN收发器的结构特性，CANH、CANL电平与电源相关，虽然5V与3.3V工作电压的CAN收发器输出差分电平典型值相同，但3.3V收发器CANH、CANL相对于参考GND的幅值偏低，为2V左右，如TI的TCAN334。使用这两种不同收发器组网，使用一般双绞线或屏蔽双绞线单点接地则完全可正常工作。若使用双层屏蔽双绞线，由于CANH、CANL、GND均为信号连接，则会因为两种收发器的总线电压对地幅值不同会造成通信异常。因此实际使用要避免其GND直接连接。

 

图3 收发器总线电平

显性超时

显性超时的增加主要是为了防止CAN总线网络由于硬件或软件故障使得TXD长期处于“0”电平状态。TXD保持“0”意味着CAN网络为显性电平，整个网络的所有节点都不能收发数据，即总线处于瘫痪状态。显性超时可以通过收发器的硬件计时避免总线出现这种情况。

如图4所示，Tdom为显性超时时长，每次TXD为“0”时收发器开始计时，超过Tdom时收发器内部释放总线，总线状态处于隐性电平。不同收发器的显性超时时间不同，实际应用需要考虑显性超时时间对总线最低波特率的影响。CAN协议规定错误帧最多可以有11个连续的显性位，为了避免显性超时不对其造成影响，可以根据收发器的最小显性超时时间计算实际使用的最低波特率。

BPSMin = 11/Tdom_min

如CTM1051Q的显性超时时间为0.3ms，则计算最小波特率为11/0.3=36.67kbps。

 

图4 显性超时时序

睡眠唤醒

ISO11898-5给出了低功耗模式的高速CAN总线单元，CAN收发器可以处于睡眠模式以降低功耗，并通过一定的总线时序唤醒收发器。如图 5为CTM1044KAT的唤醒时序图，睡眠状态下，当总线出现长度大于TWK的3个显性、隐性、显性的电平后，睡眠状态的收发器即被唤醒，中途遇到的任何小于TWK的干扰信号电平将被硬件过滤。

TWK的定义是为了使收发器仅安全可靠地接收唤醒信号，避免由于总线干扰导致误触发。CAN控制器收到RXD信号后，可通过软件设置触发唤醒控制器，从而进一步设置模块STB引脚进入正常工作模式。这种唤醒模式中，当总线的所有节点都处于睡眠状态时，只要总线某个节点发出信号，所有节点都会被唤醒。

 

图5 睡眠唤醒时序

总结

CAN收发器的选型有很多的学问，关系到整体CAN网络的稳定性与可靠性。为保证组网网络的稳定可靠，可以选择目前主流的全隔离CAN收发器模块。ZLG致远电子2003年发布国内首款隔离CAN/RS-485收发器，已有近二十年的总线隔离技术积累。目前CTM系列隔离CAN收发器覆盖CAN2.0A、CAN2.0B、容错CAN和CAN FD等所有CAN-bus通讯协议，传输速率最高支持1Mbps，是中国隔离CAN收发器行业领导品牌。

ZLG致远电子隔离收发器内置完整的隔离DC-DC电路、信号隔离电路、CAN总线收发电路以及总线防护电路，具备更高的集成度与可靠性，适用于需要高稳定性总线通讯的场合，能够有效帮助用户提升总线通信防护等级。