CAN总线通信技术应用分析与优化

王 坤,梁星霞,周 云

(中国船舶集团公司第八研究院,江苏 南京 211153)

0 引言

控制器局域网(Controller Area Network,CAN)是一种能够实现分布式实时控制的串行通信网络。现场总线技术以其信号传输全数字化,控制功能全数字化,标准统一全开放化的特点适应工业控制领域的分散化、网络化和智能化的发展趋势而成为当前控制领域的热门技术[1]。CAN总线以其高可靠性、长传输距离和低成本而具有的巨大应用潜力而为业界所关注。尤其是在日益发展的以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统中,CAN总线在近距离实时控制时可达1 Mbps。在信息交互过程中,不特别强调实时控制时,CAN总线能以5 kbps的速度传输10 km而不需任何中继器或路由器等设备参与组网,是其他类型的任一现场总线所不可比拟的[2]。从经济、方便、安全、可靠的角度而言,CAN总线在企业的信息交换沟通领域里有着极其广阔的应用前景[3]。

1.2.1 建立浙江省森林古道景观综合价值评价体系 主要通过改良过的德尔菲法(Modified Delphi Method，MDM)、层次分析法(AHP)以及模糊综合评价法建立[7]。

1 CAN总线通信在国内外应用现状

CAN总线技术是一种90年代兴起的现场总线技术,是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线的高性能和可靠性已被认同,并被广泛地应用于工业自动化、船舶、雷达通信设备等方面。本文拟从CAN总线终端电阻的选型匹配,对终端电阻通信仿真模拟及外场调试经验等几个方面进行分析优化阐述。

2 CAN总线终端电阻选型匹配

终端电阻是一种电子信息在传输过程中遇到的阻碍。高频信号传输时,信号波长相对通信电缆较短,信号在通信电缆终端会形成反射波,从而干扰原信号。所以传输线末端需要加终端电阻,使信号到达传输线末端后不反射。在长线信号传输时,一般为了避免信号的反射和回波,也需要在接收端接入终端匹配电阻[4]。

如图1所示,通信电缆是用于信号传输的一种电线,CAN总线中使用的双绞线是通信电缆的其中一种。

经皮肾动脉介入对肾动脉狭窄患者Pickering综合征发作、血压和心功能的影响…………………………………………………………………… 秦 军，等(1):118

图1 通信物理模型

CAN总线加入终端电阻,主要有以下作用:(1)提高抗干扰能力,让高频低能量的信号迅速走掉;(2)确保总线快速进入隐性状态,让寄生电容的能量更快走掉;(3)提高信号质量,放置在总线的两端,让反射能量降低。下面笔者就其作用,分别对其进行模拟仿真。

这段小电缆中电压电流关系推出等式(1)和(2),将式子(1)两边对x偏微分代入式子(2)推出(3):

(1)

(2)

(3)

对式子(3)的求解可以通过两边做拉普拉斯变换,通解为:

Ux,t=U±ei(wt-βx)*e-αx

(4)

(5)

随着水稻种类的增多，更多的先进技术的研究与出现对水稻识别工作具有促进作用，其中近红外光谱技术已屡见不鲜。在利用近红外光谱技术时，采取全波段与特征波段两种方法进行模型建立，收集纯度高的杂交水稻光谱数据，随后对其纯度进行鉴定，这种模型测定的准确率极高，据研究表明，可以达到100%的效果。因而，采用这种方法是有效的，与全波段模型相比，特征波段模型的预测精度更高。

(6)

(7)

即在一般情况输入端的阻抗与β和电缆长度相关,β又与信号的频率相关。其表现出来的物理意义就是在末端反射一个信号波与原来的波叠加产生的影响。

在一般电缆中,每米的电容C大概为100 pF/m,每米电感L为250 nH/m,可推出波的速度为2 e8m/s, 即为光速的三分之二。

阻抗Z=U(x,t)/I(x,t)。将U的解代入式(1)可以推出阻抗Z的表达式:

这个解可以理解为一个信号U(t)以波的形式向右传播,其中速度为v=ω/β,衰减为e-α。在无损条件下即R=0,G=0,可以得出,α和β的值,其中α=0,即电磁波没有衰减。

(8)

(2)当Rb=无穷时,即断路,R1只有虚部,相位为负,相当于电容。末端反射一个正相信号。

问题究竟出在哪里?首先是思想定位问题。我们把公安信息化简单理解成信息技术在公安工作中的应用，把公安信息化搞成了建设工程，以信息技术引领公安信息化建设，让警务跟着技术走，这种思想主导下公安信息化当然取得的只是技术进步。

在航拍前按照具体要求在测区内布设一定数量的像控点，然后利用无人机获得测区地面影像数据(带有POS数据的影像)。然后利用Smart 3D进行空三加密和重建生成模型，获得测区的3D 模型、DSM和TDOM。接下来使用ArcGIS对DSM进行等高线提取。最后使用南方数码iData加载3D模型和TDOM进行各种地物、地貌、植被范围、高程注记点采集，并修改受植被、各种建(构)筑物高度影响的等高线。回放生成的地形图进行外业调绘检查，实地调绘房屋缩檐数据，调查地物、土质、植被属性和各类名称注记，最终完成地形图编辑制作。具体作业流程，见图1。

(9)

其中,D为双绞线间距,d为双绞线直径,一般D的值比较难估计,通常双绞线的阻抗通过实验测得,一般有100 Ω,120 Ω和150 Ω几种。

当α=0时,

将两处的边界条件代入通解式子可以推出:

U(x)=U0cosh(γx)-I0Zsinh(γx)

(10)

(11)

(12)

末端反射问题:假设在末端接入电阻Rb,当Rb=0时为短接,Rb无穷时为断开。在末端处x=0,输入出x=l,在信号输入处有R1=U(l,t)/I(l,t),末端为Rb=U(0)/I(0)。R1的物理含义是在信号输入端检测到的阻抗。

(13)

最后,通过β的值推算出波的传播速度v。

2017年，学校教改项目管理系统完成设计并投入试用，进行首次校级教改项目在线申报，二级学院管理者通过系统进行在线审批，校级管理者通过系统将所有申报项目分配给评审专家进行盲评，提出评审意见并进行反馈。系统各项功能运行正常，基本实现预期的目标；但通过应用实践也发现一些问题，需要进一步完善。

(1)当电缆很短时,R1约等于Rb。即反射现象几乎可以忽略。

考虑理想电线电阻R=0和漏电G=0,则有

(3)当Rb=0时,即短路,R1只有虚部,相位为正,相当于电感。末端反射一个负相信号。

(4)当Rb=Z时,R1=Rb=Z,即无反射。

到此为止已经可以解答了这个问题,就是使终端电阻等于电缆阻抗时可以消除反射。通过以上信号反射产生的原因,研究可以总结出:终端电阻的阻值取决于线缆的阻抗。

3 CAN总线终端电阻通信模拟仿真

笔者分析一小段电缆,设电缆每单位长度包含电阻R[Ohm/m],电感L[H/m],漏电G[S/m]和电容C[F/m]。信号电压的频率f=2×pi×w。

3.1 提高抗干扰能力

如图2所示,CAN总线上的信号区由“显性”和“隐性”两种状态构成。“显性”对应二进制的“逻辑0”。“隐性”对应二进制的“逻辑1”,如图2所示。

图2 CAN总线信号逻辑

CANH与CANL差分电压为0 V左右时为“隐性”,差分电压为2 V左右时为“显性”。“显性”或“隐性”由CAN收发器决定。以CAN收发器的内部结构为例,内部逻辑框如图3所示。

所以成人应当利用儿童的好问心，鼓励他们自己去探索，以达到锻炼他的思维能力以及独立解决问题的能力的目的。

图3 CAN收发器内部结构逻辑

总线“显性”时,收发器内部Q1、Q2导通,CANH、CANL之间产生压差;“隐性”时,Q1、Q2截止,CANH、CANL处于无源状态,压差为0。

硬件方面：一是外观设计标志化。对所有设计进行定标，使检测室具有食药监识别性。二是必备配置统一化。实现检测室“六个一”，包括一个门头、一块屏幕、一个检测设备、一个标准操作台、一套检测制度、一条文化标语。三是内部装饰可复制化。内部家具均来自于宜家，保证了后期检测室的持续复制。

处置程序：①安排现场根据需要采取应急措施，做好事故抢修组织准备工作；②安排副科级人员到调度台指挥、副科级或主管技术人员到现场；③由队长或书记在队组指挥，一人到现场；④安监处安排副科级以上人员在调度台指挥、安全调度副主任以上人员现场监护。

总线负载时,“隐性”时差分电阻阻值很大,外部的干扰只需要极小的能量即可让总线进入“显性”(一般的收发器显性门限最小电压仅500 mV,压差为500 mV时,总线就判断为“显性”)。总线上有差模干扰时,总线上就会有明显的波动,而这些波动没有地方能够吸收掉它们,就会在总线上创造一个显性位出来。为提升总线隐性时的抗干扰能力,可以增加一个差分负载电阻,且阻值尽可能小,以杜绝大部分噪声能量的影响。为了避免需要过大的电流总线才能进入“显性”,阻值不能过小。

3.2 确保总线尽快进入隐性状态

因为总线上不可避免地存在寄生电容,所以CAN总线数据传输时,“隐性”和“显性”状态变化会对寄生电容进行充电和放电。若总线中无阻性负载,信号波形就会出现“缓慢变化”的过程,如图4所示。

图4 无阻性负载信号波形

为了让总线寄生电容快速放电,确保总线快速进入隐性状态,笔者需要在CANH、CANL之间放置一个负载电阻,如图5所示,此图是具有负载电阻后信号波形仿真图。

3）附属工程系统庞大。综合管廊内设置通风、燃气、电力、排水等附属工程系统，由控制中心集中控制，实现全智能化运行。另外还有一部分属于开放式走道，作为日常人行通道。

图5 具有阻性负载信号波形

笔者在CANH、CANL之间分别增加一个60 Ω的电阻后,从图5中看出,显性恢复到隐性的时间缩减到128 ns,与显性建立时间相当。

由以上的波形对比可发现,终端电阻会使总线更快地在“显性”和“隐性”状态间变化。

3.3 吸收反射信号,提高信号质量

信号在较高的转换速率情况下,遇到阻抗变化时就会产生信号反射;另外,传输线缆横截面的几何结构发生变化时,线缆的特征阻抗也会随之变化,继而造成反射。反射的信号则会返回来影响质量,在总线上产生“振铃”,如图6所示。

若“振铃”信号过大,该信号就会影响信号质量,甚至造成总线数据传输错误。

笔者在电缆末端增加一个与电缆特征阻抗一致的终端电阻,可以对反射信号进行能量吸收,避免产生振铃,如图7所示。

图7 具有阻抗时总线信号

4 CAN总线通信外场调试

某型雷达分机系统调试时,出现水冷机柜分系统与发射分系统之间的两端通信不一致。为了排除信号电缆问题,笔者重新做了3 m长的双绞线,模拟舱内的电缆。笔者在长线这头测试,仍存在之前的问题,所以两端通信不一致与通信电缆无关。笔者将水冷PLC的120 Ω电阻接入,再在长线这头测试,此时长线这头的信号与舱内转换插座上一致。因此,验证了分系统之间通信,通信电缆两端需要进行阻抗匹配,即通信电缆两端需要加入终端电阻,以免造成雷达整机通信上的误判。

5 结语

在某型雷达系统调试中,笔者发现发射分机与水冷机柜通信过程出现信号误码,通信电缆两端信号不一致问题。本文通过对CAN总线终端电阻的选型匹配,对终端电阻通信仿真模拟及外场调试经验等几个方面进行阐述,解决了上述问题,提高了CAN总线通信传输的稳定性和可靠性。