详细讲解为什么CAN总线要采取双绞线的布局

CAN（Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。

在CAN总线应用中，一般建议使用屏蔽双绞线进行组网、布线。

一.双绞线简介

双绞线是指两条相互绝缘的导线按照一定的规格互相缠绕在一起而制成的一种通用配线。双绞线的主要作用是防止外界电磁干扰，降低自身信号的对外干扰。（即，既可以防止别人干扰自己，也可以降低自身对别人的干扰。）

将一对相互绝缘的金属导线绞合在一起，不仅可以抵御一部分来自外界的电磁波干扰，也可以降低多对绞线之间的相互干扰，其原理是：把两根绝缘的导线互相绞在一起，干扰信号作用在这两根相互绞缠在一起的导线上是一致的（这个干扰信号叫做共模信号），在接收信号的差分电路中可以将共模信号消除，从而提取出有用信号（差模信号）。

双绞线的作用是使外部干扰在两根导线上产生的噪声（在专业领域里，把无用的信号叫做噪声）相同，以便后续的差分电路提取出有用信号，差分电路是一个减法电路，两个输入端同相的信号（共模信号）相互抵消（m-n），反相的信号相当于x-（-y），得到增强。理论上，在双绞线及差分电路中m=n，x=y，相当于干扰信号被完全消除，有用信号加倍，但在实际运行中是有一定差异的。

在一个电缆套管里的，不同线对具有不同的扭绞长度，一般地说，扭绞长度在38.1mm～140mm内，按逆时针方向扭绞，相临线对的扭绞长度在12.7mm以内。双绞线一个扭绞周期的长度，叫做节距，节距越小（扭线越密），抗干扰能力越强。

二.常见双绞线及优点

双绞线常见的有3类线，5类线和超5类线，以及最新的6类线，前者线径细而后者线径粗，型号如下：

1）一类线：主要用于语音传输（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不同于数据传输。

2）二类线：传输频率为1MHZ，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4MBPS规范令牌传递协议的旧的令牌网。

3）三类线：指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆，该电缆的传输频率16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输主要用于10BASE-T。

4）四类线：该类电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输主要用于基于令牌的局域网和10BASE-T/100BASE-T。

5）五类线：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于100BASE-T和10BASE-T网络。这是最常用的以太网电缆。

6）超五类线：超5类具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值（ACR）和信噪比（Structural ReturnLoss）、更小的时延误差，性能得到很大提高。超5类线主要用于千兆位以太网（1000Mbps）。

7）六类线：该类电缆的传输频率为1MHz～250MHz，六类布线系统在200MHz时综合衰减串扰比（PS-ACR）应该有较大的余量，它提供2倍于超五类的带宽。六类布线的传输性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于1Gbps的应用。六类与超五类的一个重要的不同点在于：改善了在串扰以及回波损耗方面的性能，对于新一代全双工的高速网络应用而言，优良的回波损耗性能是极重要的。六类标准中取消了基本链路模型，布线标准采用星形的拓扑结构，要求的布线距离为：永久链路的长度不能超过90m，信道长度不能超过100m。

目前，双绞线可分为非屏蔽双绞线（UTP=UNSHILDED TWISTED PAIR）和屏蔽双绞线（STP=SHIELDED TWISTEDPAIR）。屏蔽双绞线电缆的外层由铝铂包裹，以减小辐射，但并不能完全消除辐射，屏蔽双绞线价格相对较高，安装时要比非屏蔽双绞线电缆困难。

三.CAN与双绞线的结合

控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束，CAN总线本身有强大的抗干扰和纠错重发机制。

当CAN被应用于新能源汽车上时，意味着它要在电磁严重的环境下工作，所以如何抗干扰是工程师最为关心的话题。

当CAN总线运用双绞线的时候就可以很好的解决这些干扰问题，CAN接口采用的是差分信号传输方式。差分信号传输是一种使用两个互补电信号进行信息传递的方法。以高速CAN为例，不同的逻辑状态通过CANH、CANL两根信号线进行传输，接收电路只对两根信号线的信号差值进行识别。理想状态下，CAN总线的波形如下图所示：

干扰信号一般以共模的形式存在，当总线受到干扰时，两根总线会同时受影响，但其差分电压并不会受影响，如图2所示。相对于单端信号传输方式来说，差分信号传输方式具有更好的抗干扰能力。

当然，采用了差分传输方式也并不可以高枕无忧。CAN总线经常用于远距离通信，线缆长度的增加，各种干扰通过线缆耦合到总线上，极大地增加了外界对总线通信干扰的概率，如果线缆选用及使用不当，极有可能造成通信异常。对于CAN总线应用，一般我们会推荐使用双绞线。

四.特殊的“双绞线”CAN  

除了一种双线CAN外，还有一种单线CAN（Single Wire CAN），单线CAN可以减少一根传输线，但是要求节点间有良好的共地特性（相当于第二根信号线）。单线CAN的信号抗干扰能力相对较弱，在设计中需要提高信号幅度以增加信噪比，如此又会让它自身的辐射能力增加，因此必须降低其信号传输速率以达到电磁兼容的要求。综上，单线CAN仅适合应用在低速的车身电子单元、舒适及娱乐控制领域。低速CAN总线由于信号速度不高，在一根信号线失灵的情况下，仍可工作于单线模式。  




审核编辑：刘清