隨著汽車內(nèi)各個(gè)系統(tǒng)的控制都在向智能化和自動(dòng)化轉(zhuǎn)變，汽車電氣系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，不同的汽車OEM和Tier-1廠商紛紛研究定義不同汽車總線標(biāo)準(zhǔn)，以減少線束網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度和降低電子系統(tǒng)的故障，同時(shí)降低整車成本。其中CAN總線在汽車總線中應(yīng)用最為廣泛，采用合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约疤嵘鼸MC性能對(duì)CAN收發(fā)器在環(huán)境復(fù)雜的汽車應(yīng)用中有著重要意義。納芯微推出了多款可以實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)應(yīng)用的CAN收發(fā)器。本篇應(yīng)用筆記主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量計(jì)算以及收發(fā)器的外圍電路設(shè)計(jì)選擇進(jìn)行介紹。

CAN有什么標(biāo)準(zhǔn)：

CAN標(biāo)準(zhǔn)：ISO11898(通信速度為 5kbps - 1Mbps 的 CAN 高速通信標(biāo)準(zhǔn)，其中CAN FD(Flexible Data-rate)納入了ISO 11898-1:2015標(biāo)準(zhǔn)中)和ISO11519(通信速度為 125kbps 以下的 CAN 低速通信標(biāo)準(zhǔn))。具體標(biāo)準(zhǔn)可以百度，或者私信我。

CAN的電壓特性：CAN網(wǎng)絡(luò)中的物理信號(hào)傳輸基于電壓差的傳輸(差分信號(hào)傳輸)。高速CAN和低速CAN的電壓差分電壓大于0.9V時(shí)為顯性電平，對(duì)應(yīng)邏輯“0”，小于0.5V為隱性電平，對(duì)應(yīng)邏輯“1”。

差分(負(fù)載)電阻的作用：

1.在顯性狀態(tài)期間，總線的寄生電容會(huì)被充電，而在恢復(fù)到隱性狀態(tài)時(shí)，這些電容需要放電。如果CANH、CANL之間沒有放置任何阻性負(fù)載，電容只能通過收發(fā)器內(nèi)部的差分電阻放電，這個(gè)阻抗是比較大的，放電時(shí)間就會(huì)明顯比較長。因此，總線的終端電阻的第一作用是放電。

2.隱性時(shí)差分電阻阻值很大，內(nèi)部的MOS管屬于高阻態(tài)，外部的干擾只需要極小的能量即可令總線進(jìn)入顯性(一般的收發(fā)器顯性門限最小電壓僅500mV)。這個(gè)時(shí)候如果有差模干擾過來，總線上就會(huì)有明顯的波動(dòng)，而這些波動(dòng)沒有地方能夠吸收掉他們，就會(huì)在總線上創(chuàng)造一個(gè)顯性位出來。所以為提升總線隱性時(shí)的抗干擾能力，增加一個(gè)差分負(fù)載電阻，且阻值盡可能小，以杜絕大部分噪聲能量的影響。然而，為了避免需要過大的電流總線才能進(jìn)入顯性，阻值也不能過小。

CAN(Controller Area Network)是由ISO定義的一種串行通信，它是一種能有效地支持高安全等級(jí)的分布實(shí)時(shí)控制的新一代協(xié)議，屬于范疇。CAN最早被設(shè)計(jì)作為環(huán)境中的通訊，在車載各電子控制裝置與ECU之間交換信息，形成控制網(wǎng)絡(luò)，目前應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)相當(dāng)廣泛。

近年來，支持CAN協(xié)議的芯片不斷推出，給用戶帶來了極大的方便。隨著我國對(duì)需求的增加，CAN總線已經(jīng)會(huì)成為我國最常用的現(xiàn)場總線之一。

基于CAN總線的ECU電子控制單元的開發(fā)，也是現(xiàn)在最熱門的研究?，F(xiàn)在對(duì)CAN總線芯片的研究已經(jīng)不再局限于單一芯片的研究，而是把所有的功能芯片都集中在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的ECU的功能。

本項(xiàng)目目的是利用實(shí)現(xiàn)一款支持CAN2.0協(xié)議的總線，完成一個(gè)通用的能夠滿足CAN2.0協(xié)議的CAN總線控制器軟IP核，這樣可以在以后的應(yīng)用中方便的集成到其他系統(tǒng)中去。本文使用語言，設(shè)計(jì)了一款支持CAN2.0協(xié)議的CAN總線控制器，并利用FPGA芯片在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中對(duì)其進(jìn)行了測試，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的。創(chuàng)新點(diǎn)為CAN_Registers設(shè)計(jì)中寄存器模塊、位流處理器的收發(fā)部分功能、測試程序、基于該FPGA的CAN總線控制器的節(jié)點(diǎn)電路等。

1. CAN總線節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算

一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)中，總線所能支持掛載的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)是衡量CAN收發(fā)器性能的一個(gè)重要參數(shù)。影響CAN 總線節(jié)點(diǎn)數(shù)量的因素可以從CAN收發(fā)器的物理層和協(xié)議層兩個(gè)方面去考慮。

首先物理層方面，總線節(jié)點(diǎn)的輸出差分電壓大小決定了CAN總線電平能否被正常識(shí)別，通訊能否正常進(jìn)行，主要由總線負(fù)載電阻RL來決定，而RL取決千總線終端匹配電阻以及各節(jié)點(diǎn)總線差分輸入電阻 Rdif,我們可以通過如下方式從物理層角度去估算—個(gè) CAN網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)。

圖1.1 n個(gè)節(jié)點(diǎn)的CAN網(wǎng)絡(luò)總線拓?fù)?

上圖為掛載n個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D，其中RT為終端匹配電阻，Rdif為CAN收發(fā)器的總線差分輸入電阻?？梢酝ㄟ^電路等效的方法得到如下所示簡易拓?fù)鋱D：

圖1.2 n個(gè)節(jié)點(diǎn)的CAN網(wǎng)絡(luò)等效電路圖

如上圖所示，Node 1作為信號(hào)發(fā)送，Node n作為信號(hào)接收。從Node 1端看進(jìn)去的線路等效電阻為：

將(1)式化簡可得：

RT為終端匹配電阻，此處取120Ω;Rdif為差分輸入電阻，這里取20kΩ;RL可支持的負(fù)載電阻范圍為 45Ω~700Ω，當(dāng)RL=45Ω時(shí)，n取最大值為112。所以在此參數(shù)條件下的CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，最多可支持掛載112個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)。

從協(xié)議層方面來考慮，當(dāng)總線節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，總線越長，線路寄生越大，對(duì)于本地節(jié)點(diǎn)信號(hào)自發(fā)自收的工況下，總線寄生越大，有可能導(dǎo)致回環(huán)回來的信號(hào)衰減較多，CAN控制器的采樣發(fā)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致通訊異常;而對(duì)于相距較遠(yuǎn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信的工況下，中間節(jié)點(diǎn)越多，線路越長，導(dǎo)致信號(hào)傳播延時(shí)較長，接收端在接收到發(fā)送端發(fā)出的CAN信號(hào)后會(huì)進(jìn)行幀內(nèi)應(yīng)答(ACK)，傳播延時(shí)較長可能導(dǎo)致應(yīng)答不及時(shí)，通訊失敗。所以在計(jì)算CAN總線最大掛載節(jié)點(diǎn)數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮線路寄生以及傳播延時(shí)的影響，具體要求為由線路寄生較大引起的信號(hào)衰減不應(yīng)使得CAN控制器的采樣出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致通訊異常;同時(shí)信號(hào)在傳輸路徑上的傳播延時(shí)應(yīng)小于1/2的位時(shí)間，保證接收節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)應(yīng)答，不會(huì)導(dǎo)致通訊失敗。

2.CAN總線外圍電路設(shè)計(jì)參考

在汽車應(yīng)用中，EMC問題是一個(gè)被廣泛關(guān)注的問題，而與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車的EMC問題更加突出，因此對(duì)于汽車中大量使用的總線接口芯片的EMC性能要求也比較高。為了獲得較好的EMC性能，除了芯片設(shè)計(jì)的考慮之外，系統(tǒng)中芯片外圍電路的補(bǔ)充完善也是至關(guān)重要的。這一部分將著重介紹一下CAN芯片外圍電路的一些參考設(shè)計(jì)(如圖2.1所示)。

圖2.1 CAN總線外圍電路參考設(shè)計(jì)示意圖

納芯微電子(簡稱納芯微，科創(chuàng)板股票代碼688052)是高性能高可靠性模擬及混合信號(hào)芯片公司。自2013年成立以來，公司聚焦傳感器、信號(hào)鏈、電源管理三大方向，為汽車、工業(yè)、信息通訊及消費(fèi)電子等領(lǐng)域提供豐富的半導(dǎo)體產(chǎn)品及解決方案。

納芯微以『“感知”“驅(qū)動(dòng)”未來，共建綠色、智能、互聯(lián)互通的“芯”世界』為使命，致力于為數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)世界的連接提供芯片級(jí)解決方案。