在详解CAN总线:高速CAN总线和低速CAN总线的特性文章中,高速CAN网络和低速CAN网络都需要安装终端电阻。
高速CAN网络需要在CAN_H和CAN_L加终端电阻,电缆上的终端电阻应与电缆的标称阻抗相匹配,终端匹配电阻一般为120Ω,每个终端电阻应能消耗0.25W的功率(标准来源:ISO 11898-2:2003)。
低速CAN网络的终端电阻数值不固定,Philips建议低速CAN网络,一个整体的RTH和RTL终端电阻为100Ω到500Ω(每个)。整个网络终端电阻可以确定如下公式:
为什么CAN总线网络中为什么需要安装终端电阻?主要有3方面原因:
提高抗干扰能力,让高频低能量的信号迅速走掉;
确保总线快速进入隐性状态,让寄生电容的能量更快走掉;
提高信号质量,放置在总线的两端,让反射能量降低。
1、提高抗干扰能力
CAN总线上的信号区分“显性”和“隐性”两种状态,“显性”对应二进制的“逻辑0”,“隐性”对应二进制的“逻辑1”。“显性”或“隐性”由CAN收发器决定,下图为一款CAN收发器内部逻辑框图:
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。
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令总线进入“显性”(一般的收发器显性门限最小电压仅500mV,压差为500mV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他们,就会在总线上创造一个显性位出来。
所以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。然而,为了避免需要过大的电流总线才能进入“显性”,阻值也不能过小。
2、确保总线尽快进入隐性状态
由于总线上不可避免的存在寄生电容,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,信号波形会出现“缓慢变化”的过程。如下图所示:
将上图放大后可发现显性恢复到隐性的时间长达1.44μS。在采样点较高的情况下勉强能够通信,若通信速率更高,或寄生电容更大,则很难保证通信正常。如下图所示:
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,需要在CANH、CANL之间放置一个负载电阻。
增加一个60Ω的电阻后,从上图中看出,显性恢复到隐性的时间缩减到128nS,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的在“显性”和“隐性”状态间变化。
3、吸收反射的信号,提高信号质量
信号在较高的转换速率情况下,信号当信号遇到阻抗变化时,会产生信号反射;传输线缆横截面的几何结构发生变化,线缆的特征阻抗会随之变化,也会造成反射。反射的信号则会返回来影响质量,在总线上产生“振铃”,如下图所示:
若“振铃”信号过大,就会影响信号质量,甚至造成总线数据传输错误。
在线缆末端增加一个与线缆特征阻抗一致的终端电阻,可以将反射信号的能量吸收,避免振铃的产生,如下图所示: