传输问题 - CAN运用了解和指南

注意图中故意忽略了分布电容和分布电感的影响，因此传输的波形没有畸变。

图11-1：传输电缆直流电阻分压示意图

对于双绞线，假设其终端匹配电阻与电缆特性阻抗相同，则截面积与最大通讯距离可参考表11-1：

表11-1：截面积与最大通讯距离关系

为了把电缆直流电阻引起的电压衰减降到最小，较大的终端电阻值（150~300欧姆）有助于增加总线长度。比如使用截面积为1.5 mm2的双绞线电缆，电缆特性阻抗为120欧姆。传输波特率为5kpbs的数据时，使用120欧姆的匹配电阻最远可以传输5km，但使用300欧姆的匹配电阻则可以传输7km！

12. 波特率、终端匹配电阻与通讯距离

上文第11节讲述了传输线截面积与通讯距离的关系，本小节将保持传输线截面积不变，查看其它参数对通讯距离的影响。以截面积为1.5 mm2屏蔽双绞线为例，其波特率、终端匹配电阻与通讯距离的关系如图12-1所示。其中，当波特率较高，通讯距离有限。比如1Mbps，信号隔离后的CAN通讯距离大约为25~30米（大部分的实际项目中都会对CAN通讯模块电气隔离，隔离器件会降低通讯距离）。波特率较低并且将终端匹配电阻增大，可远距离通讯。比如5kbps、终端匹配电阻为390欧姆时，通讯距离可达10km！

图12-1：波特率、终端匹配电阻和通讯距离关系图

13. 信号延迟与通讯距离

高波特率情况下，制约CAN通讯距离的，是信号延迟。信号经过隔离光耦、传输电缆、ESD器件时，都会引起信号延迟。如果CAN的重同步也不足以弥补这个延迟，就会导致采样错误，最终CRC校验错误。

图12-1给出了截面积为1.5mm2传输电缆，在不同波特率和终端匹配电阻下的最大通讯距离。其中当波特率为1Mbps时，通讯距离大约为30米。30米的通讯电缆，其传输损耗可以忽略不计，此时影响通讯距离的主要是信号延迟。

通常，传输电缆延时为5ns/m、高速光耦延时可达25ns、磁耦合隔离器件延迟3~5ns。在CAN通讯系统中，一个优良的延迟标准是：

其中：
tl_MAX：最大延迟时间
tBIT：位时间

以1Mbps为例，其位时间为1us，则tl_MAX < 0.245 × tBIT = 0.245 × 1us = 245ns。信号在1.5mm2传输电缆上传输49米就能达到这个延迟时间，另外再加上信号上升/下降沿时间以及隔离器件、ESD器件、PCB走线延时，实际项目中，1Mbps波特率在1.5mm2传输电缆上只能传输30米。

这也是为什么RS485波特率可以达到10Mbps甚至50Mbps，而CAN标准最大速率只有1Mbps的原因。

表13-1给出了判定延迟的参考标准，在实际项目中，推荐信号延迟处于良好一栏标准。

表13-1：最大延迟参考标准

14. 节点最小间距

CAN总线是分布式参数电路，其电气特性和响应主要由沿物理介质分布的电感和电容所决定。这里物理介质包括连接电缆、连接器、终端和沿总线挂接的CAN设备。

空载情况下，传输电缆的特性阻抗近似为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。随着负载的增加，传输线上的电容增加（负载电容、负载与总线连接线电容），传输电缆特性阻抗相比空载情况下变小。如果负载比较集中，则负载区传输电缆特性阻抗和空闲区电缆特性阻抗相差较大，从而会引起阻抗不匹配。如图14-1所示。

图14-1：负载不均衡的CAN总线原理示意图