CAN總線缺少終端電阻現(xiàn)象解析
根據(jù)ISO11898-2對終端電阻的取值規(guī)定，必須在總線的首尾兩端各掛一個120Ω的終端電阻，即總線上加60Ω的終端電阻，而中間節(jié)點則不需要掛終端電阻，如圖1所示。
圖1 終端電阻
如圖2所示，假如我們按照ISO11898標(biāo)準(zhǔn)要求，使用CANScope測試時，加上60Ω的終端電阻，然后以250Kbps的波特率自發(fā)自收數(shù)據(jù)，可以看到報文可以正常發(fā)送，且關(guān)聯(lián)的波形也正常。
圖2 加終端電阻CANScope自發(fā)自收現(xiàn)象
假如CANScope在不加終端電阻的時候，以250Kbps的波特率自發(fā)自收數(shù)據(jù)，如圖3所示，發(fā)送的數(shù)據(jù)都是幀ID錯誤，且關(guān)聯(lián)的波形也出現(xiàn)異常。
圖3 未加終端電阻CANScope自發(fā)自收現(xiàn)象
對于報文數(shù)據(jù)，從關(guān)聯(lián)的波形數(shù)據(jù)可以看到，上升沿沒有任何問題，但是下降沿相對于加終端電阻的波形緩慢很多，一直未達(dá)到隱性狀態(tài)，這些是為什么呢？下面我們對其進行一一的解析。
1、為什么影響下降沿？
眾所周知，CAN總線的傳輸方式是差分傳輸方式，而總線電平的判斷，就是CAN收發(fā)器根據(jù)CANH和CANL線纜之間的差分電壓（CANH-CANL）來判斷的，總線上傳輸?shù)碾娖叫盘栔挥袃煞N可能，一是顯性電平，二是隱性電平，其中顯性電平代表邏輯0，隱性電平代表邏輯1。
首先我們看一下CAN收發(fā)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖4所示：
圖4 CAN收發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
當(dāng)總線電平為顯性時，收發(fā)器內(nèi)部的Q1、Q2處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時CANH、CANL之間會產(chǎn)生壓差；當(dāng)總線電平為隱性時，收發(fā)器內(nèi)部的Q1、Q2處于截止?fàn)顟B(tài)，此時CANH、CANL處于無源狀態(tài)，壓差為0。所以當(dāng)隱性狀態(tài)變?yōu)轱@性狀態(tài)（上升沿）時，主要由收發(fā)器中的驅(qū)動模塊作用，當(dāng)顯性狀態(tài)變?yōu)殡[性狀態(tài)（下降沿）時，是通過整條總線與終端電阻放電產(chǎn)生的，所以總線的終端電阻是影響下降沿緩慢程度的主要物理因素。
2、下降沿為什么遲遲達(dá)不到隱性狀態(tài)？
前面提到，下降沿緩慢程度，受終端電阻的影響，是如何影響的，那這就和時間常數(shù)τ有關(guān)系了。我們知道，時間常數(shù)可由電容（C）和負(fù)載電阻（R）確定，即τ=RC，所以當(dāng)總線上無終端電阻時，CANH和CANL之間的阻值很大，例如CANScope，在未加終端電阻時，測量的電阻值，約91KΩ左右，所以根據(jù)時間常數(shù)的公式，τ值會很大，所以無法快速消耗掉總線上寄生電容上的電能，從而導(dǎo)致下降沿緩慢，遲遲達(dá)不到隱性狀態(tài)。
圖5 RC電路
3、為什么會產(chǎn)生錯誤幀？
如圖6所示，是圖3對應(yīng)的示波器截圖，從圖中看出，當(dāng)光標(biāo)區(qū)域的ΔX為一個位，即4us時，差分信號在光標(biāo)B處的電壓YB為3.341V，遠(yuǎn)高于CAN規(guī)范中的隱性電平判斷上限值0.5V，顯性電平判斷下限值0.9V，所以此時的位被判斷為顯性位，而又由于時間常數(shù)遠(yuǎn)大于250Kbps波特率下的位時間，所以會有超過5個位被判斷為顯性位，從而破壞了CAN規(guī)范中的填充規(guī)則，出現(xiàn)了幀ID填充錯誤。
圖6 250Kbps波特率波形細(xì)節(jié)
為了加深對錯誤幀產(chǎn)生原因的了解，我們舉一個反例，看位時間遠(yuǎn)大于無終端電阻情況下的時間常數(shù)時，會出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象。
下面以CANScope不加終端電阻，波特率為10Kbps進行自發(fā)自收為例，如圖7所示，CANScope報文列表中，無錯誤幀產(chǎn)生。通過觀察同步的示波器截圖，如圖8所示，光標(biāo)區(qū)域ΔX為45.6us時，差分信號在光標(biāo)B處的電壓YB為0.4813V，又由于CANScope默認(rèn)的采樣點是75%在光標(biāo)區(qū)域之后，所以此時可正常判斷該位為隱性，從而不會導(dǎo)致錯誤幀的產(chǎn)生。
在使用CANScope作為測量設(shè)備時，除了用戶自己外部添加終端電阻的方法外，還可以通過軟件配置給被測節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)添加終端電阻，其添加的方法，會根據(jù)不同的PORT頭配件，選擇不同的配置方法。當(dāng)使用標(biāo)配件P8251T、P1040T時，勾選圖9中的啟用終端電阻，即可在總線上添加120Ω的終端電阻；當(dāng)選配件使用StressZ時，如圖10中的RHL，可根據(jù)需要設(shè)置對應(yīng)的終端電阻。
圖9 標(biāo)配件P8251T、P1040T終端電阻設(shè)置
圖10 選配件StressZ終端電阻設(shè)置
