网络拓扑 - CAN运用了解和指南

7.网络拓扑

CAN使用差分信号，需要一对信号线，推荐使用双绞线，网络拓扑如图7-1所示。使用差分信号可以抑制共模干扰、能够增加系统可靠性，允许使用更高的速率。

高速ISO 11898标准规定了CAN传输最高速率为1Mbps，在这个速率下，传输距离最长40米（挂接30个节点，CAN信号不隔离）。推荐节点分支长度最大为0.3米、推荐使用带屏蔽或不带屏蔽的双绞线，线缆特性阻抗为120欧姆。

图7-1：CAN总线网络拓扑结构图

8. 终端匹配

终端匹配电阻大小等于传输电缆特性阻抗，传输电缆特性阻抗由电缆供应商提供，一般近似为Z=√(L/C)。其中L为电缆单位长度感抗，C为电缆单位长度电容。

由于CAN收发器结构，从隐性变成显性由晶体管驱动，所以都是很陡的，但是从显性回到隐性，却需要终端电阻来放电，否则就会由于导线分布电容，缓慢放电，导致位宽错误。所以所谓的近距离、低波特率CAN总线不加终端电阻的做法，都是错误的。

RS485与CAN总线不同，由于RS485收发器中一般都内置失效保护电路，在近距离、低波特率下允许不加终端匹配电阻。

9. 电缆与接线
CAN总线采用差分信号传输，如果使用带屏蔽双绞线，屏蔽层应单点接地。

图9-11列出带单屏蔽层的CAN电缆剖析与连接线示范。

图9-1：电缆信号分配、接地和终端匹配

通常电缆截面积越小，其分布电容、分布电感和直流电阻越大。当通讯距离较远时，电容、电感和直流电阻会引起信号衰减，波形失真和抖动。
一般情况下，电缆供应商会提供信号衰减图表。图9-2所示的曲线显示了24-AWG电缆衰减和频率的关系。

图9-2：信号衰减

10. 差分信号电压幅值

如图10-1所示，两条信号线CAN_H和CAN_L静态时均为2.5V左右，此时状态表示逻辑1，称作隐性；CAN_H比CAN_L高表示逻辑0，称为显性，此时通常CAN_H电压3.5V、CAN_L电压1.5V。

图10-1：CAN电平幅值

CAN标准规定，CAN总线上的差分电压>0.9V才能被识别成显性电平，<0.5V才能被识别成隐性电平，0.5~0.9之间的电平不能确定电平极性。如表10-1所示。

表10-1：差分电压幅值与电平极性关系

在实际项目布线时，容易漏加或者多加终端匹配电阻。我们可以通过测量CAN差分电压幅值来评估是否漏加或多加终端匹配电阻。如果不计导线电阻，终端电阻固定为120欧姆，单节点CAN总线差分电压如表10-2所示。

表10-2：终端匹配电阻数目与差分电压幅值关系

11. 电缆截面积与通讯距离

电缆截面积对通讯距离影响很大，特别是远距离通讯。远距离传输线上的分布电容、分布电感和直流参数会引起信号衰减。很多CAN通讯应用都具有距离远、波特率低的特性。比如本公司的KTC161通讯控制系统使用10kpbs，传输距离要不小于3km。这种情况下，传输电缆的直流电阻对传输距离影响非常大，因为这个直流电阻会和终端匹配电阻分压。

如图11-1所示，1号节点与2号节点相隔5km，使用的传输电缆直流电阻12.8欧姆/km，终端匹配电阻为124欧姆。1号节点发送的波形差分电压幅值为2V，经过5km传输电缆到2号节点时，差分电压幅值大约为1V，信号衰减了一半！我们在上文第10节中提到过：CAN总线上的差分电压>0.9V才能被识别成显性电平，现在2号节点只有1V差分电压，其可靠性已经变的较低。

为了保证可靠的数据通讯，一个有用的经验法则是：最末端节点差分电压幅值不小于1.2V。