整車CAN總線最大長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)的測(cè)算方法

任志偉

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

隨著人們對(duì)汽車的操控性、安全性和娛樂性等要求的日益提高，許多新技術(shù)被應(yīng)用到汽車生產(chǎn)中。一汽自主的整車已經(jīng)不局限于一輛能夠載人行駛的交通工具，更是一個(gè)具有操控、安全、導(dǎo)航及娛樂等電子控制單元的有機(jī)整體。為了使這些系統(tǒng)能及時(shí)可靠的通信，CAN技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在整車上。為了最大程度上使整車具備更多功能，在新車型研發(fā)階段，越來越多電子控制單元需要連接在整車CAN上，而在確定的通信速率和保證系統(tǒng)通信可靠及時(shí)的前提下，一個(gè)CAN總線連接的節(jié)點(diǎn)和線纜長(zhǎng)度必然有一定限制，因此通過一種方法能夠便捷地計(jì)算出CAN總線的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)和長(zhǎng)度，在整車CAN開發(fā)中有著重要意義。

1 CAN總線應(yīng)用簡(jiǎn)介

CAN被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中微控制器之間的通訊，并在各車載ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。它是一種多主方式的串行通訊總線，設(shè)計(jì)規(guī)范要求有較高的位速率和高抗干擾性，而且能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。信號(hào)傳輸距離達(dá)到10 km時(shí)，仍然保持高達(dá)5 kB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于CAN總線具有這些特性，因此在汽車、制造業(yè)及航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

CAN總線的使用，使相關(guān)的操控、安全、導(dǎo)航及娛樂等電子控制單元有機(jī)的結(jié)合起來。汽車上的各個(gè)部件通過中央控制模塊（ECU）的控制，執(zhí)行各種指令，并反饋各種信號(hào)，使整車變成了一個(gè)智能的電子控制系統(tǒng)。

2 CAN總線的位數(shù)值表示與通信距離

CAN總線上用“顯性”和“隱性”表示2個(gè)互補(bǔ)的邏輯值“0”和“1”。當(dāng)總線上出現(xiàn)同時(shí)發(fā)送顯性和隱性位時(shí)，其結(jié)果是總線數(shù)值為顯性（即“0”與“1”的結(jié)果為“0”）。在隱性狀態(tài)，VCAN_H和VCAN_L被固定在平均電壓附近，差分輸入電壓（Vdiff）近似于0。在總線空閑或隱性位期間，發(fā)送隱性位。顯性位以大于最小閾值的差分電壓表示[1]。圖1示出總線位的數(shù)值表示，圖1中，VCAN_H和VCAN_L為CAN總線收發(fā)器與總線之間的兩接口引腳，信號(hào)以兩線之間的“差分”電壓形式出現(xiàn)。

CAN總線上任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最大傳輸距離與其位速率有關(guān)，相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 CAN總線系統(tǒng)任意2節(jié)點(diǎn)間位速率與最大距離的關(guān)系表

在CAN總線系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，需要估算一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最大總線長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)。最大總線長(zhǎng)度主要由以下因素決定：

1）互連總線節(jié)點(diǎn)的回路延時(shí)（由CAN總線控制器和驅(qū)動(dòng)器等確認(rèn)）和總線線路延時(shí)；各節(jié)點(diǎn)振蕩器頻率的相對(duì)誤差而導(dǎo)致的位時(shí)鐘周期的偏差；總線電纜串聯(lián)等效電阻和總線節(jié)點(diǎn)的輸入電阻而導(dǎo)致的信號(hào)幅度的下降。

2）因?yàn)閭鬏斞舆t時(shí)間對(duì)于總線長(zhǎng)度的影響主要是由于非破壞性總線仲裁和幀內(nèi)應(yīng)答機(jī)制所決定的，所以在每幀報(bào)文的應(yīng)答場(chǎng)，要求接收?qǐng)?bào)文正確的節(jié)點(diǎn)在應(yīng)答間隙將發(fā)生節(jié)點(diǎn)的隱性電平轉(zhuǎn)為顯性電平，作為對(duì)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答。

3）由于這些過程必須在1個(gè)位時(shí)間內(nèi)完成，所以總線線路延時(shí)以及其它延時(shí)之和必須小于1/2個(gè)位時(shí)鐘周期。

非破壞性總線仲裁和幀內(nèi)應(yīng)答本來是CAN總線區(qū)別于其他現(xiàn)場(chǎng)總線最顯著的優(yōu)點(diǎn)之一，在這里卻成了一個(gè)缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在其限制了CAN總線速度進(jìn)一步提高的可能性，當(dāng)需要更高的速度時(shí)則無法滿足要求。

3 最大總線長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)估算方法

在靜態(tài)條件下，總線節(jié)點(diǎn)的差分輸入電壓由電流通過該節(jié)點(diǎn)差分輸入電阻的電流所決定，CAN總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分布等效電路圖，如圖2所示，節(jié)點(diǎn)的差分輸入電壓主要取決于以下因素：發(fā)送節(jié)點(diǎn)的差分輸出電壓（Vdiff.out），總線電纜的電阻（Rw）和節(jié)點(diǎn)的差分輸入電阻（Rdiff）。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在總線一端而接收節(jié)點(diǎn)在總線的另一端時(shí)為最壞情況，這時(shí)接收節(jié)點(diǎn)的差分輸入電壓可按式（1）計(jì)算。

式中：Vdiff——差分輸入電壓，V；

Vdiff.out——差分輸出電壓，V；

Rw——總線電纜電阻，Ω；

RT——終端匹配電阻，Ω；

Rdiff——差分輸入電阻，Ω；

n——節(jié)點(diǎn)數(shù)。

當(dāng)Vdiff＜0.5 V或0.4 V時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)檢測(cè)為隱性位，當(dāng)Vdiff＞0.9 V或1.0 V時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)檢測(cè)為顯性位。為了正確地檢測(cè)到顯性位，接收節(jié)點(diǎn)必須能夠收到一定的Vdiff，這個(gè)電壓取決于接收顯性位的閾值電壓（Vth）和用戶定義的安全區(qū)電壓。所需差分輸入電壓可由式（2）計(jì)算。

式中：Vdiff.in.req——需求差分輸入電壓，V；

Vth——閾值電壓，V；

Ksm——決定安全電壓的差分系數(shù)，在0～1之間選取。

由于接收的Vdiff必須大于檢測(cè)顯性位所需的電壓，在極限情況下，可以得到差分輸入電壓最小值，如式（3）所示。

式中：Vdiff.in.min——差分輸入電壓最小值，V；

Vdiff.out.min（1.5 V）——輸出顯性位時(shí)最小差分輸出電壓，V；

Rw.max——最大總線電纜電阻，Ω；

RT.min——最小終端匹配電阻，Ω；

Rdiff.min——差分輸入電阻最小值，Ω；

nmax——系統(tǒng)接入的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)。

根據(jù) Rw.max=ρmxnLmax，式（3）經(jīng)變換后可得：

式中：Lmax——最大總線電纜長(zhǎng)度閾值，m；

ρmax——所用電纜的單位長(zhǎng)度的最大電阻率，Ω/m；

Vth.max（1 V）——接收顯性位最大閾值電壓，V。

從式（4）可以清楚地看出，最大總線電纜長(zhǎng)度除了與終端匹配電阻和節(jié)點(diǎn)數(shù)等有關(guān)外，還與總線電纜長(zhǎng)度電阻率成反比。由于不同類型的電纜電阻率不同，所以其最大總線長(zhǎng)度也有很大差別。若Ksm＝0.2，在最壞情況下，可得出必須Rw＜15 Ω。在正常情況下，當(dāng) Vdiff＝2 V，Vth＝0.9 V，Rdiff=50 kΩ，RT＝120 Ω，Ksm＝0.2 時(shí)，Rw＜45 Ω 即可。

一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所能連接的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于CAN總線控制器的最小負(fù)載電阻（RL.min/Ω）。比如CAN控制器提供的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力為RL.min=45 Ω。最大節(jié)點(diǎn)數(shù)的計(jì)算公式，如式（5）所示（假設(shè)Rw＝0，此時(shí)為最壞情況）。

由式（5）可知，假設(shè) Rdiff.min=20 kΩ，當(dāng) RT=118 Ω 和RL=45 Ω時(shí)，能連接最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為106個(gè)；當(dāng)RT=120 Ω和RL=45 Ω時(shí)，則為112個(gè)。其實(shí)影響節(jié)點(diǎn)數(shù)多少的因素除了驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力之外，還與總線長(zhǎng)度有密切關(guān)系，只有總線長(zhǎng)度在合適范圍內(nèi)時(shí)，才有可能達(dá)到上面的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)。

4 結(jié)論

文章根據(jù)等效電路方法得到CAN分布等效電路，推導(dǎo)出最大總線長(zhǎng)度不僅與終端匹配電阻和節(jié)點(diǎn)數(shù)量有關(guān)，還與總線電纜長(zhǎng)度的電阻率成反比。通過使用CAN總線網(wǎng)絡(luò)不僅可以減少線束，而且能夠提高各控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，減少冗余的傳感器及相應(yīng)的軟硬件配置，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的資源共享，便于集中實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的在線故障診斷。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的需求可以準(zhǔn)確估算出最大總線長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)，這能夠?yàn)檎麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供可靠的理論技術(shù)支持，且容易確定整車系統(tǒng)中需要連接在CAN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)控制器數(shù)量及布置，并能夠提高CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率和魯棒性。