自1987年出現(xiàn)第一個控制器局域網(wǎng)（CAN）以來，曾經(jīng)的汽車網(wǎng)絡(luò)接口現(xiàn)已擴(kuò)展到工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。隨著占用面積的擴(kuò)大，對總線長度更長，總線節(jié)點(diǎn)更多，數(shù)據(jù)吞吐量更高，電壓隔離度更高的收發(fā)器的需求越來越大。

目前有20多家半導(dǎo)體公司提供器件，設(shè)計(jì)人員有很多決策要做在選擇最佳設(shè)備之前，需要充分了解規(guī)范的細(xì)微差別及其最新迭代。為此，我們將深入研究規(guī)范和主題，例如不對稱，然后讓您快速了解一些有趣的CAN設(shè)備以及如何充分利用它們。

為什么選擇CAN？

控制器局域網(wǎng)（CAN總線）最早是在20世紀(jì)80年代初由Robert Bosch GmbH開發(fā)的。第一批CAN控制器芯片于1987年在市場上推出，第一輛實(shí)現(xiàn)CAN總線的車輛于1988年上市。在此后的近30年里，CAN總線的使用在全世界的車輛中無處不在，包括公共汽車，火車，飛機(jī)和輪船在內(nèi)的各種運(yùn)輸方式。

它還廣泛應(yīng)用于工廠自動化，農(nóng)業(yè)和重型設(shè)備，醫(yī)療設(shè)備，電梯和電梯控制等許多工業(yè)環(huán)境中。它非常適合作為低成本，低協(xié)議開銷，具有錯誤檢測和重傳功能的確定性網(wǎng)絡(luò)的許多嵌入式控制應(yīng)用。

超過20家半導(dǎo)體公司提供支持CAN總線的設(shè)備，并且有許多工具供應(yīng)商以及可用的商業(yè)和開源軟件版本 - 從驅(qū)動程序到中間件和更高級別的協(xié)議棧。

讓我們來看看CAN總線的一些特性，這些特性使它在許多方面都很有用設(shè)置。

CAN架構(gòu)

CAN是一種多主串行總線，可連接兩個或多個電子模塊或節(jié)點(diǎn)?？偩€互連（通常）是具有差分信令的雙線雙絞線。 CAN物理層收發(fā)器將CAN協(xié)議邏輯1和0轉(zhuǎn)換為總線上的顯性和隱性位，如圖1所示。

圖1 ：CAN總線信令。兩個CAN引腳（CAN_H和CAN_L）形成差分對。通過收發(fā)器開漏驅(qū)動器將總線驅(qū)動到顯性狀態(tài)（邏輯0）。在隱性狀態(tài)下，線路不被驅(qū)動，因此回落到它們的標(biāo)稱電壓。 （來源：Digi-Key Electronics）

CAN收發(fā)器驅(qū)動器是一種開漏配置，允許多個驅(qū)動器一次性作用于總線而不會發(fā)生沖突。總線的自然（未驅(qū)動）狀態(tài)是隱性狀態(tài)（邏輯1）。當(dāng)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動總線時，隱性狀態(tài)將被覆蓋為顯性狀態(tài)，這表示邏輯0。

CAN消息傳遞是通過一組稱為幀的比特來完成的。有四種幀類型，但主要類型是數(shù)據(jù)幀，如圖2所示。

圖2： CAN數(shù)據(jù)幀的格式。新幀以前一幀的IFS（幀間間隔）之后的SOF（幀開始）開始。 （來源：Digi-Key Electronics）

所有節(jié)點(diǎn)都可以嘗試同時傳輸，但一次只允許一條消息在總線上傳輸。這可以通過仲裁字段實(shí)現(xiàn)。

在幀起始同步位之后，所有發(fā)送節(jié)點(diǎn)在仲裁階段發(fā)送它們的消息標(biāo)識符。標(biāo)識符代表消息的優(yōu)先級 - 數(shù)字越小，優(yōu)先級越高（記住，顯性位勝過隱性）。最低標(biāo)識符贏得仲裁。失敗者停止傳輸并將其消息排隊(duì)以在下一幀中再次嘗試。

獲勝者繼續(xù)發(fā)送控制字段（表示要遵循的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)），數(shù)據(jù)和循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）位。在確認(rèn)（ACK）字段期間，接收到?jīng)]有錯誤消息的所有接收節(jié)點(diǎn)都發(fā)送0位。

這種直接幀內(nèi)響應(yīng)是CAN的強(qiáng)大功能之一：發(fā)送節(jié)點(diǎn)立即知道如果他們有一個無差錯的傳輸。然而，這對比特率施加了限制，因?yàn)榭偩€總長度的雙向傳播時間不得長于確認(rèn)主導(dǎo)脈沖。

現(xiàn)在稱為經(jīng)典CAN網(wǎng)絡(luò)的另一個限制是每條消息的數(shù)據(jù)位數(shù)限制為最多8位。當(dāng)CAN首次引入時，這對于車輛節(jié)點(diǎn)是足夠的，但是今天的車輛內(nèi)部和外部系統(tǒng)通常處理更大的數(shù)據(jù)尺寸。 8字節(jié)限制也會影響總線效率。為了發(fā)送64位數(shù)據(jù)，46個或更多協(xié)議位用于仲裁，控制，CRC等。

CAN FD救援

CAN靈活數(shù)據(jù)，或CAN FD，在2012年推出，以幫助解決古典CAN的一些局限性。 CAN FD允許以兩種不同的比特率傳輸CAN數(shù)據(jù)幀：仲裁，控制和確認(rèn)的速率較慢，字段以及數(shù)據(jù)字段的速率更快。

由于確認(rèn)包含在數(shù)據(jù)字段比特率較慢的速率可以更高，因?yàn)樗皇芸偩€上的雙向支持延遲的影響，只有發(fā)送器和接收器延遲和總線特性限制了數(shù)據(jù)速率。該方法還允許與現(xiàn)有CAN控制器向后兼容。此外，CAN FD數(shù)據(jù)幀支持多達(dá)64字節(jié)的數(shù)據(jù)以及額外的CRC位，即使數(shù)據(jù)字段較長，也可保持漢明距離為6。

CAN收發(fā)器規(guī)范在ISO 11898-2中有詳細(xì)說明。該文檔的最新版本為收發(fā)器的發(fā)送器和接收器部分添加了prop延遲規(guī)范，并將總環(huán)路延遲（TXD至RXD）定義為小于255 ns。由于CAN驅(qū)動器不是推挽式，因此發(fā)送器和接收器延遲對于顯性到隱性和隱性到顯性轉(zhuǎn)換是不對稱的。

ISO 11898-2現(xiàn)在規(guī)定了最大不對稱性延遲，以及收發(fā)器內(nèi)部循環(huán)時間。這很重要，因?yàn)椴粚ΨQ會導(dǎo)致隱性位縮短，這成為數(shù)據(jù)速率的限制因素。為了正確設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)，需要知道不對稱限制。

ISO 11898-2發(fā)送器延遲不對稱規(guī)范定義為驅(qū)動60Ω，100 pF總線負(fù)載時產(chǎn)生的隱性位寬，如表1所示。

數(shù)據(jù)相位比特率位標(biāo)稱寬度總線隱性Min Buss隱性最大值2 Mbit/s 500 ns 370 ns 570 ns 5 Mbit/s 200 ns 110 ns 225 ns

表1：發(fā)送器驅(qū)動60Ω100pF總線負(fù)載時指定延遲。 （來源：ISO 11898-2）

接收機(jī)延遲不對稱性，表示為與標(biāo)稱位時間的偏差，如表2所示。

數(shù)據(jù)相位比特率最小偏離正常最大偏差從正常2 Mbit/s -65 ns 40 ns 5 Mbit/s -45 ns 15 ns

表2：接收器延遲不對稱性表示為與標(biāo)稱位時間的偏差。 （來自ISO 11898-2的數(shù)字）

將最小和最大偏差添加到標(biāo)稱值會給出最壞情況的最小和最大隱性位寬（不包括其他網(wǎng)絡(luò)因素，如振鈴），如表所示3。

數(shù)據(jù)相位比特率位標(biāo)稱寬度總線隱性最小總線隱性最大最小偏離正常最大偏離正常2 Mbit/s 500 ns 435 ns 530 ns -65 ns 30 ns 5 Mbit/s 200 ns 155 ns 210 ns -45 ns 10 ns

表3：最壞情況的最小和最大隱性位寬度是通過添加最小和最大偏差得出的。 （來自ISO 11898-2的數(shù)字）

請注意，為5 Mbit/s數(shù)據(jù)速率指定的不對稱性比2 Mbit/s更嚴(yán)格。高數(shù)據(jù)速率收發(fā)器可用于低數(shù)據(jù)速率網(wǎng)絡(luò)以利用這一點(diǎn)。

單個CAN收發(fā)器中的環(huán)路延遲不對稱通常小于上面顯示的最壞情況計(jì)算并且在CAN FD收發(fā)器中規(guī)定了它們支持的數(shù)據(jù)比特率。

支持更高數(shù)據(jù)速率的CAN FD收發(fā)器現(xiàn)在已經(jīng)上市。 Microchip Technology的MCP2542FD就是一個例子，見圖3.

圖3：Microchip的MCP2542FD CANFD收發(fā)器支持高達(dá)8 Mbits/s的傳輸，具有改進(jìn)的支路延遲和環(huán)路延遲不對稱性。 （來源：Microchip Technology）

其收發(fā)器環(huán)路延遲（TXD輸入轉(zhuǎn)換到RXD輸出）為120 ns，而ISO 11989-2規(guī)范為255 ns。環(huán)路延遲不對稱性（取自數(shù)據(jù)手冊）也有所改進(jìn)，如表4所示。

數(shù)據(jù)相位比特率位標(biāo)稱寬度總線隱性最小總線隱性最大值2 Mbit/s 500 ns 450 ms 550 ms 5 Mbit/s 200 ns 160 ms 220 ms 8 Mbit/s 200 ns 85 ns 140 ns

表4：MCP2542FD收發(fā)器數(shù)據(jù)表中的環(huán)路延遲不對稱性。 （來源：Microchip Technology）

目前沒有針對8 Mbit/s收發(fā)器的ISO 11989-2規(guī)范，但通過預(yù)測需求，MCP2564FD可在較低的比特率下提供更高的性能。它還具有非常低（4μA）的待機(jī)電流和喚醒總線活動。根據(jù)ISO 11898-2規(guī)范，還有一個支持CAN總線喚醒模式（WUP）的版本。

工業(yè)用途的含義

CAN FD規(guī)范的主要驅(qū)動程序是為了在汽車裝配線末端以更快的速度支持更大的數(shù)據(jù)有效載荷。使用Classic CAN，可能需要幾個小時才能以500 kbit/s的速度運(yùn)行。通過使用CAN FD提供的32字節(jié)數(shù)據(jù)有效載荷，僅通過擴(kuò)展有效載荷并將數(shù)據(jù)速率提高到2 Mbit/s就可以實(shí)現(xiàn)4倍的改進(jìn)。使用64字節(jié)有效載荷和5 Mbit/s，可以提高10倍以上的帶寬。

由于相當(dāng)于8個經(jīng)典CAN數(shù)據(jù)幀可以與一個CAN FD幀一起發(fā)送，因此協(xié)議開銷是顯著減少。這種總線效率的提高在工業(yè)環(huán)境中非常有用，特別是如果由于長總線而導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率較低。利用較少的開銷比特，可以以較慢的數(shù)據(jù)速率傳輸更多數(shù)據(jù)，并且仍然保持延遲要求。

CAN FD更大數(shù)據(jù)量的另一個優(yōu)勢是改善了對數(shù)據(jù)一致性的支持。這方面的一個例子是在多軸運(yùn)動控制器中，其中必須具有控制器位置的時間同步視圖。這些數(shù)據(jù)集大于可在一個經(jīng)典CAN幀上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)集，但適合CAN FD幀。將這些數(shù)據(jù)組合成一個消息傳輸?shù)目偩€效率再次提高是另一個好處。

ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大電纜長度為40米，最大存根長度為0.3米，最大節(jié)點(diǎn)為30個節(jié)點(diǎn)。 1 Mbit/s仲裁階段比特率。這適用于汽車應(yīng)用，但這些限制并不適合許多工業(yè)用例。幸運(yùn)的是，可以通過仔細(xì)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)來調(diào)整總線速度，總線長度，線纜大小和節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

CAN in Automation（CiA）等行業(yè)組織發(fā)布了擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)配置的規(guī)范和建議。例如，CiA 102 CAN工業(yè)應(yīng)用物理層文檔推薦以下標(biāo)準(zhǔn)比特率，如表5所示。

比特率標(biāo)稱比特時間1 Mbit/s1μs800kbit/s1.25μs500kbit/s 2μs250kbit/s4μs125kbit/s8μs50kbit/s20μs20kbit/s50μs10kbit/s100μs

表5：工業(yè)應(yīng)用的推薦仲裁相位比特率?？偩€上的所有節(jié)點(diǎn)必須以相同的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行。 （來源：CAN in Automation）

此外，CiA 303為少于64個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)提供標(biāo)準(zhǔn)DC參數(shù)的建議，如表6所示.CiA還為更大的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)提供建議。

總線長度[m]總線電纜 1 終端電阻[Ω]比特率[kbit/s]長度相關(guān)電阻[mΩ/m]橫截面[mm2] 0到40 70 0.25到0.34 124 1000 40 m 40到300 < 60 0.34至0.6 150至300 100 500 m 600至1000 <26 0.75至0.8 150至300> 50 at 1 km

表圖6：針對64個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)DC參數(shù)的CiA 303建議。 （來源：CAN in Automation）

推薦電纜交流參數(shù)：120Ω阻抗和5 ns/m特定線路延遲

表2：建議總線電纜參數(shù)，終端電阻和擴(kuò)展總線長度的最大比特率。

CAN FD收發(fā)器（如MCP2564FD）是更長總線長度的理想選擇，因?yàn)樗鼈兏纳屏藗鞑パ舆t和環(huán)路延遲對稱性，可提供額外的總線余量

另一款具有工業(yè)優(yōu)勢的CAN FD收發(fā)器是德州儀器的TCAN337G單收發(fā)器（圖4）。

圖4：德州儀器（TI）的TCAN337G功能框圖。其增強(qiáng)的驅(qū)動器和接收器規(guī)格使其適用于具有大量節(jié)點(diǎn)的CAN網(wǎng)絡(luò)。 （德州儀器公司提供）

TCAN337G符合ISO 11989-2規(guī)范的2 Mbit/s和5 Mbit/s數(shù)據(jù)速率，但具有改進(jìn)的驅(qū)動程序規(guī)范，可以滿足最小差分總線具有50Ω負(fù)載而非標(biāo)稱60Ω負(fù)載的電壓。最小差分輸入電阻為30kΩ，是大多數(shù)收發(fā)器的三倍。這些改進(jìn)的最終結(jié)果是，如果所有收發(fā)器都是TCAN337G器件，則可以在網(wǎng)絡(luò)上放置多達(dá)120個節(jié)點(diǎn)，耦合電阻為330Ω（長達(dá)1000米）。

TCAN337G還具有故障引腳，可報告TXD和RXD主導(dǎo)超時故障，熱關(guān)斷和低壓鎖定條件，使其對高可靠性系統(tǒng)非常有用。該器件還可以在低功耗狀態(tài)下進(jìn)入休眠狀態(tài)，并支持ISO 11898 CAN總線喚醒模式（WUP）。

電動或混合動力汽車中的高壓系統(tǒng)，發(fā)電或能量存儲系統(tǒng)需要電隔離網(wǎng)絡(luò)以防止電擊危險。這通常通過光學(xué)隔離器完成。但是，通過這些隔離器的延遲時間會增加收發(fā)器的環(huán)路延遲，使其不適合CAN FD應(yīng)用。恩智浦的TJA1052i采用新型電容隔離技術(shù)解決了這一問題，該技術(shù)可提供高達(dá)5 kV（RMS）的隔離，見圖5.

圖5：對于高壓系統(tǒng)，恩智浦的TJA1052i CAN FD收發(fā)器采用電容電流隔離，可實(shí)現(xiàn)5 kV短路隔離延遲時間以支持CAN FD數(shù)據(jù)速率。 （由NXP Semiconductors提供）

隔離位于RXD和TXD引腳與電路的其余部分之間。在屏障的輸入信號側(cè)（例如TXD引腳），如果輸入信號為1（或隱性），則啟用RF振蕩器。然后，該信號在屏障上電容耦合，由RF解調(diào)器接收。解調(diào)信號的存在表示隱性狀態(tài);沒有射頻能量是主導(dǎo)狀態(tài)。除了RF振蕩器和解調(diào)器位于屏障的相對側(cè)之外，該方案對于RXD以相同的方式工作。這種隔離方法增加了非常小的延遲，使TJA1052i能夠支持2 Mbits/s和5 Mbits/s的CAN FD速率。

電流隔離收發(fā)器還可以改善嘈雜環(huán)境中的CAN信號完整性。高逆變器開關(guān)電流會引起大的接地噪聲，這些噪聲可能會耦合到信號線上并破壞數(shù)據(jù)傳輸。隔離這些信號消除了消息損壞的根源，可以顯著提高噪聲系統(tǒng)的吞吐量。

結(jié)論

自首批產(chǎn)品出現(xiàn)以來，CAN總線不斷發(fā)展以滿足新的要求。通過CAN FD，組件制造商不斷創(chuàng)新，以便為具有更高性能要求的特定應(yīng)用優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。有超過20個供應(yīng)商家族可供選擇并得到廣泛而強(qiáng)大的工具鏈的支持，CAN定位于現(xiàn)在和將來支持工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需求。