概要:
CAN（Controller Area Network）總線作為一種廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)自動化等眾多領(lǐng)域的串行通信協(xié)議，其電路設(shè)計的合理性直接影響著整個系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定性。通過閱讀本文，您將深入了解CAN電路設(shè)計的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括CAN硬件電路的構(gòu)成要素、CAN電平標(biāo)準(zhǔn)的特點與應(yīng)用、CAN收發(fā)器的工作原理及選型要點，以及實際的CAN硬件電路設(shè)計實例中的細(xì)節(jié)與技巧。掌握這些知識后，您將能夠在相關(guān)項目中獨立進(jìn)行CAN電路的設(shè)計、優(yōu)化與故障排查，確保系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通信的高效、可靠進(jìn)行，提升整個項目的品質(zhì)與競爭力。#01 CAN硬件電路
CAN硬件電路主要包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，其中物理層負(fù)責(zé)信號的傳輸與接收，是確保CAN總線性能的關(guān)鍵。我們將詳細(xì)介紹CAN的物理層特性，特別是電平標(biāo)準(zhǔn)和終端電阻的作用，以及如何利用現(xiàn)有方案進(jìn)行電路的搭建。
CAN通信回路圖
1.1 CAN波形
CAN總線有多種電平標(biāo)準(zhǔn)，其中高速CAN（ISO 11898 - 2）和低速容錯CAN（ISO 11898 - 3）較為常見。高速CAN適用于對實時性和通信速率要求高的場景，最高傳輸速率達(dá)1Mbps，如汽車發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、安全氣囊控制系統(tǒng)等，能快速準(zhǔn)確傳輸大量關(guān)鍵數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)及時響應(yīng)與可靠運行。低速容錯CAN側(cè)重可靠性，對速度要求相對較低，傳輸速率一般在125kbps以下，常用于汽車車身控制系統(tǒng)、車窗升降系統(tǒng)等，在復(fù)雜電磁環(huán)境下穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，保障系統(tǒng)正常運行。不同電平標(biāo)準(zhǔn)在差分電壓范圍、傳輸速率、抗干擾能力等方面存在差異，電路設(shè)計時需依具體應(yīng)用需求謹(jǐn)慎選擇，以充分發(fā)揮CAN總線優(yōu)勢。
CAN協(xié)議的ISO標(biāo)準(zhǔn)
CAN總線借助差分信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這使其在抗干擾方面獨具優(yōu)勢。物理層對CAN波形電平有著明確界定。CAN總線存在顯性（Dominant）和隱性（Recessive）兩種狀態(tài)，通過CANH（CAN High）和CANL（CAN Low）兩根信號線間的電壓差來區(qū)分。當(dāng)CANH和CANL之間的電壓差處于1.5V - 3.5V之間（通常約為2V）時，為顯性狀態(tài)，對應(yīng)邏輯0；當(dāng)電壓差在 - 2V - 0.5V之間（接近0V）時，為隱性狀態(tài)，對應(yīng)邏輯1。這種基于差分電壓的邏輯判斷機(jī)制，極大降低了外界電磁干擾對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，確保了信號的準(zhǔn)確性。
實際CAN波形圖
1.2 終端電阻
阻抗匹配是指信號源內(nèi)阻、傳輸線特性阻抗和負(fù)載阻抗三者之間達(dá)到一種特定的關(guān)系，使得信號在傳輸過程中能夠最大限度地將能量從信號源傳輸?shù)截?fù)載，同時減少信號反射等不良影響。在電路設(shè)計中，尤其是涉及高速信號傳輸（如 CAN 總線等通信系統(tǒng)）時，阻抗匹配是非常重要的一個環(huán)節(jié)。
數(shù)字系統(tǒng)中由于信號反射引起的波形畸變
實現(xiàn)阻抗匹配的方式有多種，對于傳輸線末端的阻抗匹配，常見的方法就是使用終端電阻。通過選擇合適的終端電阻值，使其等于傳輸線的特性阻抗，從而實現(xiàn)阻抗匹配。除了終端電阻匹配外，在電路設(shè)計中還需要考慮信號源內(nèi)阻與傳輸線特性阻抗的匹配，以及傳輸線特性阻抗與負(fù)載阻抗的匹配等。
阻抗匹配原理圖
終端電阻是連接在傳輸線末端（如 CAN 總線的兩端）的電阻器。其電阻值通常是根據(jù)傳輸線的特性阻抗來確定的，在 CAN 總線中，常見的終端電阻值為 120Ω。終端電阻的作用是吸收信號能量，防止信號反射，確保信號在傳輸線上的完整性和穩(wěn)定性。
終端電阻
1.3 電平轉(zhuǎn)換 - CAN收發(fā)器
實際應(yīng)用中，不同設(shè)備可能工作于不同電源域，或需與其他電平標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備通信，此時電平轉(zhuǎn)換電路不可或缺。例如，當(dāng)CAN總線與工作在3.3V電平的微控制器交互數(shù)據(jù)，而CAN收發(fā)器工作電壓為5V時，電平轉(zhuǎn)換電路可適配信號電壓，保證CAN信號在不同電平環(huán)境下的完整性與準(zhǔn)確性，避免電平不匹配引發(fā)的信號失真或通信故障。
CAN電平與邏輯的轉(zhuǎn)換
1. 工作原理
在數(shù)據(jù)發(fā)送階段，控制器將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)以邏輯電平信號的形式傳輸給CAN收發(fā)器的發(fā)送器模塊，發(fā)送器模塊對這些信號進(jìn)行處理和驅(qū)動，將其轉(zhuǎn)換為符合CAN電平標(biāo)準(zhǔn)的差分信號，并通過CANH和CANL引腳將差分信號發(fā)送到CAN總線上。在數(shù)據(jù)接收階段，CAN收發(fā)器的接收器模塊通過CANH和CANL引腳從總線上接收差分信號，經(jīng)過內(nèi)部的放大、濾波和比較等處理后，將其轉(zhuǎn)換為邏輯電平信號，然后傳輸給控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。
2. 常用芯片
NXP公司的TJA1051
- 芯片內(nèi)容框圖：TJA1050芯片內(nèi)部主要包含電源管理單元、發(fā)送器、接收器、保護(hù)電路以及狀態(tài)控制邏輯等模塊。電源管理單元負(fù)責(zé)為芯片內(nèi)部各模塊提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)；發(fā)送器模塊實現(xiàn)從邏輯電平到差分信號的轉(zhuǎn)換，并具備驅(qū)動能力，確保信號能夠在總線上有效傳輸；接收器模塊則負(fù)責(zé)從總線上接收差分信號，并將其轉(zhuǎn)換為邏輯電平信號；保護(hù)電路能夠防止芯片在過壓、過流等異常情況下受到損壞；狀態(tài)控制邏輯協(xié)調(diào)芯片各模塊的工作，確保收發(fā)器正常運行。
- 參數(shù)關(guān)注要點：TJA1051具有高速通信能力，最高支持1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠滿足大多數(shù)高速CAN應(yīng)用場景的需求。其電磁兼容性（EMC）性能出色，在復(fù)雜的電磁環(huán)境下仍能保證穩(wěn)定的通信。工作電壓范圍通常為4.5V - 5.5V，在設(shè)計電路時需要確保供電電壓在此范圍內(nèi)。此外，還需關(guān)注其輸入輸出阻抗等參數(shù)，以保證與總線和控制器的良好匹配。例如，在汽車電子控制系統(tǒng)中，由于發(fā)動機(jī)等設(shè)備會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，且對通信速率要求較高，TJA1051的高速和高EMC性能使其成為理想的選擇。
TJA1051框圖
TJA1051封裝類型
TJA1051各引腳定義
TI公司的SN65HVD230
- 芯片內(nèi)容框圖：SN65HVD230芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括CAN控制器接口、收發(fā)器核心電路、總線保護(hù)電路和電源管理部分。CAN控制器接口用于與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；收發(fā)器核心電路實現(xiàn)差分信號與邏輯電平信號之間的轉(zhuǎn)換；總線保護(hù)電路能夠有效抵御總線上的過壓、過流等異常情況，保護(hù)芯片和其他電路元件；電源管理部分支持3.3V和5V兩種電源電壓輸入，為芯片提供靈活的供電選擇。
- 參數(shù)關(guān)注要點：該芯片支持兩種常見的電源電壓，這為與不同供電電壓的微控制器搭配使用提供了便利。它具備強(qiáng)大的故障保護(hù)功能，能夠在總線出現(xiàn)短路、開路等故障時自動采取保護(hù)措施，防止芯片損壞。在選擇時，要重點關(guān)注其差分輸出電壓范圍、共模輸入電壓范圍等參數(shù)，確保其與總線和控制器的電氣特性相兼容。例如，在一些工業(yè)自動化設(shè)備中，如果微控制器采用3.3V供電，且對設(shè)備的可靠性和故障保護(hù)能力要求較高，SN65HVD230就是一個很好的選擇。
SN65HVD230框圖
SN65HVD230 Top View
SN65HVD230端子定義
3. 芯片選型要點
在面對實際項目需求時，正確選擇CAN收發(fā)器至關(guān)重要。①要考慮通信速率要求，如果項目需要高速、實時的數(shù)據(jù)傳輸，如汽車的動力系統(tǒng)控制，就應(yīng)選擇支持高速CAN且傳輸速率滿足要求的收發(fā)器。
②是工作環(huán)境因素，若工作環(huán)境電磁干擾嚴(yán)重，像工業(yè)生產(chǎn)車間等場所，就必須選擇電磁兼容性強(qiáng)的收發(fā)器。
③電源電壓也是一個關(guān)鍵因素，要確保收發(fā)器的工作電壓與系統(tǒng)電源相匹配，或者能夠通過簡單的電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行適配。
④成本也是不容忽視的一點，在滿足性能要求的前提下，應(yīng)盡量選擇性價比高的芯片。
⑤還要考慮收發(fā)器的封裝形式，不同的封裝形式會影響PCB布局的難易程度和空間占用情況，應(yīng)根據(jù)實際產(chǎn)品的體積和布局要求進(jìn)行選擇。
#02 CAN硬件電路設(shè)計實例
2.1 主體CAN收發(fā)電路
電路連接：
以常用的微控制器（如STM32系列）和CAN收發(fā)器TJA1051為例，微控制器的CAN_TX引腳連接到TJA1051的TXD引腳，用于將控制器要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸給收發(fā)器。CAN_RX引腳連接到TJA1051的RXD引腳，以便接收從收發(fā)器轉(zhuǎn)換后的 邏輯電平信號。TJA1051的CANH和CANL引腳分別連接到CAN總線的兩根信號線，實現(xiàn)差分信號的發(fā)送和接收。在電源連接方面，TJA1051的VCC引腳連接到5V電源，并且為了保證電源的穩(wěn)定性，需要在電源引腳附近添加去耦電容。通常采用0.1uF和10uF的電容并聯(lián)，0.1uF的電容用于濾除高頻噪聲，10uF的電容用于穩(wěn)定電源電壓，減少電源波動對芯片工作的影響。
信號傳輸：
當(dāng)微控制器需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)從CAN_TX引腳輸出邏輯電平信號到TJA1051的TXD引腳。TJA1051內(nèi)部的發(fā)送器模塊將該邏輯電平信號轉(zhuǎn)換為差分信號，并通過CANH和CANL引腳驅(qū)動到CAN總線上進(jìn)行傳輸。在接收數(shù)據(jù)時，TJA1051通過CANH和CANL引腳從總線上接收差分信號，接收器模塊將其轉(zhuǎn)換為邏輯電平信號后，通過RXD引腳傳輸給微控制器的CAN_RX引腳，微控制器再對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
2.2 濾波設(shè)計
電容濾波：在CANH和CANL引腳與地之間分別添加一個50pF - 100pF的電容。這些電容能夠有效地濾除總線上的高頻噪聲，如來自周圍電子設(shè)備的電磁干擾產(chǎn)生的高頻信號。高頻噪聲可能會導(dǎo)致信號失真或誤碼，通過電容濾波可以提高信號的質(zhì)量，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。
磁珠濾波：
在CANH和CANL信號線上串聯(lián)磁珠。磁珠具有特殊的阻抗特性，對高頻信號呈現(xiàn)高阻抗，能夠抑制高頻噪聲在信號線上的傳輸，而對低頻信號（如CAN總線的正常通信信號）的阻抗較低，幾乎不影響正常信號的傳輸。這樣可以進(jìn)一步提高CAN總線的抗干擾能力，保證通信的穩(wěn)定性。
有濾波的主體CAN收發(fā)電路
2.3 防護(hù)設(shè)計
過壓保護(hù)：在CANH和CANL引腳與地之間添加TVS（Transient Voltage Suppressor）二極管。TVS二極管是一種高效的過壓保護(hù)器件，當(dāng)總線上出現(xiàn)過壓情況時，例如由于雷電感應(yīng)或其他電源浪涌事件導(dǎo)致的電壓尖峰，TVS二極管能夠迅速導(dǎo)通，將過壓能量泄放到地，從而保護(hù)CAN收發(fā)器和其他連接在總線上的電路元件不受損壞。在選擇TVS二極管時，要根據(jù)CAN總線可能出現(xiàn)的最大過壓值來確定其擊穿電壓，確保其能夠在過壓發(fā)生時及時動作，同時還要考慮其功率容量，以保證能夠承受過壓事件中的能量沖擊。
有TVS的主體CAN收發(fā)電路
靜電防護(hù)：
如果ECU是放在容易被觸碰到的位置，就需要在在CAN接口處添加ESD（Electrostatic Discharge）保護(hù)器件，如ESD二極管。在實際應(yīng)用中，人體靜電放電或其他靜電事件可能會對CAN電路造成損害。ESD保護(hù)器件能夠在靜電放電發(fā)生時，迅速將靜電能量引導(dǎo)到地，防止靜電對CAN收發(fā)器造成永久性損壞。在電路布局時，要將ESD保護(hù)器件盡量靠近CAN接口放置，以縮短靜電放電路徑，提高防護(hù)效果。同時，還要注意ESD保護(hù)器件的寄生電容不能過大，以免影響CAN信號的傳輸質(zhì)量。通過以上對CAN電路設(shè)計各個方面的詳細(xì)闡述，從理論知識到實際應(yīng)用實例，相信讀者能夠全面掌握CAN電路設(shè)計的要點和技巧，在實際項目中設(shè)計出穩(wěn)定、可靠的CAN電路。
有ESD的主體CAN收發(fā)電路
#03 結(jié) 語
通過上述設(shè)計，我們不僅實現(xiàn)了基本的數(shù)據(jù)傳輸功能，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和耐用性。希望本文能幫助您更好地理解和應(yīng)用CAN技術(shù)，為您的項目帶來成功。下一次我們再來看看協(xié)議層里面的幀的封裝與拆裝，流量控制與錯誤恢復(fù)，仲裁機(jī)制實現(xiàn)等機(jī)制吧。
