?CAN總線(Controller Area Network)設計?涉及多個關鍵方面，包括硬件設計、軟件實現(xiàn)、通信協(xié)議以及實際應用中的挑戰(zhàn)和解決方案。

CAN總線的基本概念和設計要素

CAN總線是一種多主機的串行通信協(xié)議，由德國BOSCH公司開發(fā)，主要用于現(xiàn)代汽車中的電子控制單元(ECU)之間的數據交換。CAN總線具有以下主要特點：

?多主站操作?：任何節(jié)點都可以在任何時刻發(fā)送消息，不分主次。

?非破壞性仲裁?：當多個節(jié)點同時發(fā)送消息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可以繼續(xù)傳輸，低優(yōu)先級的節(jié)點會退出發(fā)送。

?靈活的通信介質?：可以使用雙絞線、同軸電纜或光導纖維。

?高通信速率?：最高可達1Mbps，但實際應用中通常在500kbps左右。

?強抗干擾能力?：采用差分信號傳輸，具有很高的電磁兼容性。

?錯誤處理?：支持CRC校驗，能夠檢測和糾正錯誤?1。

CAN總線的硬件設計

CAN硬件電路主要包括物理層和數據鏈路層。物理層負責信號的傳輸與接收，是確保CAN總線性能的關鍵。物理層特性包括電平標準和終端電阻的作用。CAN總線使用差分信號進行數據傳輸，電平標準有高速CAN和低速容錯CAN。高速CAN適用于高實時性和高速率的應用，如汽車發(fā)動機控制系統(tǒng);低速容錯CAN則適用于低速率但需要高可靠性的應用，如車身控制系統(tǒng)?2。

CAN總線的軟件實現(xiàn)和調試

基于FPGA的CAN總線控制器設計包括協(xié)議解析、通信控制器程序的基本框架和具體實現(xiàn)。程序通過仿真與測試進行驗證。CAN總線通過報文濾波實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送數據，無需專門的調度。數據采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果?13。

實際應用中的挑戰(zhàn)和解決方案

在實際應用中，CAN總線設計面臨的主要挑戰(zhàn)包括電磁干擾、總線沖突和錯誤處理。為了解決這些問題，可以采用以下策略：

?電磁屏蔽?：使用屏蔽雙絞線或光纖來減少電磁干擾。

?終端電阻匹配?：在總線兩端添加終端電阻，減少反射和信號衰減。

?錯誤檢測與糾正?：采用CRC校驗和錯誤處理機制，確保數據傳輸的可靠性?12。

一、定位干擾原因

當總線有干擾時，有經驗的工程師能夠迅速定位，但是對于新手來說卻很麻煩。造成總線干擾的原因有很多，比如通過電磁輻射耦合到通訊電纜中、屏蔽線接地沒處理好、隔離了通訊沒有隔離電源等。通過下圖我們可以推導出，現(xiàn)場的干擾不是通過電磁輻射進來，整車的網絡也沒有干擾，基本可以斷定干擾就是電機驅動器的CAN通訊沒隔離好。

圖1 定位干擾原因

二、消除延時誤差的方法

為了減小延時，增加通訊距離和降低通訊錯誤率，我們可以采取以下措施：

采用磁隔離的CTM1051方案設計接口收發(fā)電路;

用較粗的導線代替細導線，標準為1.5線纜(延遲為5ns/m);

使用鍍金或鍍銀的線纜;

增加網橋中繼設備CANBridge延長通訊距離;

采用光纖傳輸，如致遠電子的CANHUB-AF1S1，同等波特率可延長1倍通訊距離。

三、信號地(CAN-GND)

1、信號地概念

信號地也稱為隔離地，為使電子設備工作時有一個統(tǒng)一的參考電位，避免有害電磁場的干擾，使設備穩(wěn)定可靠的工作，設備中的信號電路統(tǒng)一參考地，即CAN-GND。

2、信號地處理

許多實際應用中，設計者常直接將每個節(jié)點的參考地接于本地的大地，作為信號的返回地，看似正?？煽康淖龇ǎ瑓s存在極大的隱患!

信號地(CAN-GND)正確的接法主要分為兩種：

單屏蔽層線纜：如果線纜是單屏蔽層，信號地理想接法是使用專門的信號線將所有節(jié)點信號地連接，起到參考地的作用。但如果缺少信號地線，亦可將所有節(jié)點信號地都連接到屏蔽層，但這樣屏蔽效果亦差強人意。

圖2 帶有屏蔽層雙絞線

圖3 含信號地線雙絞線連接方式

圖4 信號地與屏蔽層連接方式

雙屏蔽層線纜：當使用雙層屏蔽電纜時，需要將所有節(jié)點信號地連接到內屏蔽層，若使用非屏蔽線進行數據傳輸時，請保持信號地管腳懸空處理。

圖5 雙屏蔽層信號地處理方式

所有節(jié)點信號地接到屏蔽層或者雙屏蔽層的內層后，屏蔽層處理方式注意為單點接地，不可多點接地，否則會在信號地線上形成地環(huán)流。

另外，單點接地時為了加大供電地和信號地之間的隔離電阻，阻止共地阻抗電路耦合產生的電磁干擾，注意采用隔離浮地設計，通過阻容方式將屏蔽層與外殼隔離。

圖6 未進行單點接地處理的報文受到電磁干擾