CAN節(jié)點(diǎn)控制器回路設(shè)計(jì)

王瑞林 田江 茍斌

摘要：本文通過(guò)分析CAN節(jié)點(diǎn)控制器上作特性、電源需求、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參數(shù)及造成CAN信號(hào)失真的因素，為避免回路干擾保證CAN信號(hào)準(zhǔn)確傳輸，從電源分配，傳輸回路設(shè)計(jì)及接地三方面進(jìn)行回路設(shè)計(jì)和方法總結(jié)，為后續(xù)車型CAN節(jié)點(diǎn)控制器回路設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：CAN節(jié)點(diǎn)控制器;電源分配;回路設(shè)計(jì);接地

CAN控制器是CAN局域網(wǎng)控制器的簡(jiǎn)稱，為解決現(xiàn)代汽車中眾多測(cè)量控制部件之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線。CAN（ Controller Area Network）控制器局域網(wǎng)絡(luò)是在20世紀(jì)80年代初由德國(guó)Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的測(cè)控儀器之間的數(shù)據(jù)交換而設(shè)計(jì)的一種有效支持分布式實(shí)時(shí)控制的串行數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。1993年11月ISO正式頒布了CAN國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），它以半雙工方式工作，采用基于數(shù)據(jù)的傳輸機(jī)制，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜，其通信速率可達(dá)1 Mh/s，最大傳輸距離可達(dá)10km。

這些優(yōu)良的特性使CAN總線在汽車上得以廣泛應(yīng)用，CAN節(jié)點(diǎn)控制器的數(shù)量也越來(lái)越多，因此對(duì)整車的電氣電路系統(tǒng)的性能、可靠性的要求也就更高。如何安全又合理地對(duì)CAN節(jié)點(diǎn)控制器進(jìn)行可靠的回路設(shè)計(jì)，對(duì)于整車電氣系統(tǒng)開(kāi)發(fā)來(lái)講，成為非常重要的一項(xiàng)工作。本文分三部分對(duì)CAN節(jié)點(diǎn)控制器的回路設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究。

1 CAN節(jié)點(diǎn)控制器電源分配

1.1電源分配

CAN節(jié)點(diǎn)控制器為了保證能隨時(shí)讀取控制器的數(shù)據(jù)，檢測(cè)車輛狀態(tài)和排除故障，一般控制器都取B+電。同時(shí)為了滿足控制器的其他需求，還額外要取ACC或者ICN電。CAN節(jié)點(diǎn)控制器在顯性和隱性狀態(tài)下的總線電壓和差分電壓應(yīng)遵循ISO11898-2?？偩€電壓VCAN_L和VCAN_H定義每個(gè)單獨(dú)CAN節(jié)點(diǎn)的總線CAN_L和CAN_H相對(duì)于地的電壓。差分電壓（CAN總線）Vdiff，即雙線CAN總線差分電壓：Vdiff=VCAN_H-VCAN_L。

正常通信的ECU_T作電壓范圍見(jiàn)表1。同一網(wǎng)段中，供電不足的節(jié)點(diǎn)不允許影響正常節(jié)點(diǎn)之間的正常通信;處于睡眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)不允許影響網(wǎng)段中其它節(jié)點(diǎn)的正常通信。

1.2保險(xiǎn)匹配

1.2.1保險(xiǎn)絲的選型

保險(xiǎn)絲的種類按照不同的分類方式可以分為很多種，通常按照熔斷的速度亦即響應(yīng)的速度可將保險(xiǎn)絲分為快熔型和慢熔型。一般情況下，在通過(guò)超出容量一定數(shù)量的電流時(shí)，以較短時(shí)間熔斷的保險(xiǎn)絲稱為快熔型的保險(xiǎn)絲，常見(jiàn)的Mini、ATO等保險(xiǎn)絲就屬于快熔型保險(xiǎn)絲的范疇;同樣，在通過(guò)超出容量一定數(shù)量的電流時(shí)，以較長(zhǎng)時(shí)間熔斷，甚至不熔斷的保險(xiǎn)絲稱為慢熔型的保險(xiǎn)絲。常見(jiàn)的Jcase、BF1、Midi等保險(xiǎn)絲就屬于慢熔型保險(xiǎn)絲的范疇。

這就需要依據(jù)保險(xiǎn)絲的熔斷特性來(lái)綜合考量。根據(jù)CAN節(jié)點(diǎn)控制器是否關(guān)系行車安全，可以對(duì)保險(xiǎn)絲進(jìn)行初步選型;若CAN節(jié)點(diǎn)控制器關(guān)系行車安全例如EPS、ABS等，則需要選擇慢熔型保險(xiǎn)，避免保險(xiǎn)快速熔斷，影響行車安全;若CAN節(jié)點(diǎn)控制器僅控制一般功能，則需要根據(jù)匹配的保險(xiǎn)絲容量來(lái)決定保險(xiǎn)絲的選型。

1.2.2保險(xiǎn)絲容量大小的選擇

在初步定好保險(xiǎn)絲的類型后，就要具體選擇保險(xiǎn)絲的容量了。簡(jiǎn)單的講，保險(xiǎn)絲的容量是根據(jù)負(fù)載的功率來(lái)定的，同時(shí)要結(jié)合保險(xiǎn)絲的類型、中央電氣盒的位置（高溫區(qū)還是一般溫區(qū)）和類型（硬線型還是PCB型）來(lái)給予一定的安全裕量，這個(gè)安全余量主要是考慮溫度對(duì)保險(xiǎn)絲的影響，因?yàn)榄h(huán)境溫度的升高，會(huì)導(dǎo)致保險(xiǎn)絲實(shí)際能夠承載的電流下降。一般可以根據(jù)如下公式進(jìn)行折減計(jì)算：If=In/RR式中：If為保險(xiǎn)絲的理想值;In為正常工作的電流值;RR為溫度折減系數(shù)。溫度折減系數(shù)從55%～ 90%不等，主要是根據(jù)保險(xiǎn)絲的類型（快熔還是慢熔）、中央電氣盒的位置（高溫區(qū)還是一般溫度區(qū)）、中央電氣盒的類型（PCB型還是普通硬線型）有關(guān)^[1]。

2 CAN線傳輸回路設(shè)計(jì)

2.1 CAN線技術(shù)參數(shù)

為保證CAN總線信號(hào)傳輸，其特征參數(shù)應(yīng)滿足表2要求，另外要求任何兩個(gè)ECU之間的通信傳輸介質(zhì)總電阻不超過(guò)4Ω（包含接插件和電纜）。CAN線的導(dǎo)線電阻應(yīng)該≤95mΩ，/m（正常值為≤45m Ω/m），推薦導(dǎo)線芯截面積為0.35-0.75mm，絞線率為33-50twist/m。CAN總線電纜可以采用屏蔽雙絞線或者非屏蔽雙絞線，但是為了便于與接插件的連接，在連接部分可以有短于50mm（最好是25mm）的電纜不用雙絞^[2]。

如果EMC性能不能夠達(dá)到要求，推薦使用屏蔽雙絞線。采用非屏蔽雙絞線時(shí)，CAN_H對(duì)CAN_L的線間電容≤60pF/m;采用屏蔽雙絞線時(shí)，CAN_H（或CAN_L）對(duì)屏蔽層的線間電容≤110pF/m。

2.2網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)置要求

通常一個(gè)整車網(wǎng)絡(luò)會(huì)由數(shù)個(gè)網(wǎng)段組成，每個(gè)網(wǎng)段由若干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置需要滿足下列技術(shù)要求，如圖1所示：

（1）為了減小駐波，各ECU距離干線的長(zhǎng)度不能相等，同時(shí)應(yīng)避免ECU在總線上等間距布置，即任何兩個(gè)ECU之間d值不能相等;

（2）診斷接口與引出接口的ECU距離不超過(guò)5m;

（3）診斷設(shè)備到診斷接口的距離不超過(guò)5m。

網(wǎng)絡(luò)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)值見(jiàn)表3：

表3網(wǎng)絡(luò)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)

在實(shí)際應(yīng)用中，若傳輸介質(zhì)采用屏蔽雙絞線，對(duì)于HS-CAN網(wǎng)段，包含診斷設(shè)備在內(nèi)，每個(gè)網(wǎng)段的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不能超過(guò)16個(gè);對(duì)于MS-CAN、LS-CAN網(wǎng)段，包含診斷設(shè)備在內(nèi)，每個(gè)網(wǎng)段的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不能超過(guò)32個(gè)。

若傳輸介質(zhì)采用非屏蔽雙絞線，每個(gè)網(wǎng)段的節(jié)點(diǎn)數(shù)量最大值為16個(gè)。

2.3 CAN線間抗干擾設(shè)計(jì)

CAN線上的干擾主要有導(dǎo)線的交叉串?dāng)_，串?dāng)_是由其線間的分布電容引起的，一條電纜上的脈沖信號(hào)通過(guò)分布電容耦合帶另一條線上。車內(nèi)各種電壓高低不同、電流大小不等的線路距離較近或捆扎在一起，電路走向不合適或敏感部件的電路設(shè)計(jì)不合理等，都將產(chǎn)生干擾脈沖信號(hào)^[3]。

為保證CAN線通訊的正確，避免通訊中斷和延遲，除了普遍采用雙絞設(shè)計(jì)防干擾之外，還應(yīng)采取以下措施避免線間串?dāng)_。

（1）為減少線間耦合作用，應(yīng)注意在允許的空間范圍內(nèi)盡量加大信號(hào)線與其他線之間距離。應(yīng)采取分散走線方式，尤其是弱電和強(qiáng)電的傳輸線一定要分開(kāi)布置。

（2）應(yīng)盡量縮短平行線的長(zhǎng)度，增加線間距離。如能在信號(hào)間加布隔離地線，則效果會(huì)好些。

（3）對(duì)于設(shè)備內(nèi)的CAN線，為了減少平行線的串?dāng)_，必要時(shí)增加印制條間距離?；蛟谧呔€之問(wèn)安插一根地線，作為線條間隔離。

3接地設(shè)計(jì)

3.1地電位偏移

導(dǎo)線自身存在一定電阻，當(dāng)導(dǎo)線中流過(guò)的電流較大時(shí)且導(dǎo)線較長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生壓降，形成電位偏移。尤其是當(dāng)把電源地和信號(hào)地接在一起的話，地電位漂移就會(huì)較大，因?yàn)殡娫吹碾娏飨啾刃盘?hào)的電流要大很多，甚至是大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣的電流流過(guò)導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生壓降，也就導(dǎo)致地電位比真正的地電位要高。

實(shí)際中在CAN節(jié)點(diǎn)控制器ECU的標(biāo)稱工作電壓下，如果ECU的地電位偏移≤±2V，則ECU應(yīng)正常發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文。因此布置CAN節(jié)點(diǎn)控制器的接地應(yīng)，應(yīng)盡量將強(qiáng)、弱信號(hào)和大、小不同電流的搭鐵線分隔布置，并且采取就近接地，避免地電位偏移量過(guò)大^[4]。

3.2地丟失

設(shè)計(jì)CAN節(jié)點(diǎn)控制器的接地時(shí)，要遵循原則：失去地的ECU不能影響其它ECU之間的通信。失去地后ECU不能損壞，在故障排除后，通信恢復(fù)正常。

為避免地信號(hào)丟失，再設(shè)計(jì)接地時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

（1）對(duì)于CAN節(jié)點(diǎn)控制器，各控制器問(wèn)接地不能共用，避免因單個(gè)ECU接地丟失，影響整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)上其他ECU通訊

（2）車架上各接地點(diǎn)之問(wèn)地線互相連接，接地點(diǎn)直接通過(guò)螺栓、齒形墊片，安裝到車架上;

（3）搭鐵點(diǎn)位置優(yōu)先選擇在各主要的梁上，除非特殊的情況外，不允許使用支架搭鐵，避免搭鐵不良;

3.3接地間干擾

雖然整車電器件采用就近共用搭鐵點(diǎn)的原則，但針對(duì)ECU、安全氣囊、ABS等影響整車安全性的電器件，其地線易受其他零件工作時(shí)干擾，要求單獨(dú)搭鐵，避免受到地間干擾。

特別是針對(duì)ECU的信號(hào)地，該信號(hào)地一般為模擬信號(hào)或者能量較弱的數(shù)字信號(hào)，易受電源波動(dòng)或者外界因素的干擾，導(dǎo)致信號(hào)的信噪比（ SNR）下降。信號(hào)的測(cè)量值產(chǎn)生誤差或者錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)的失敗。

因此對(duì)信號(hào)地的要求較高，也需要在系統(tǒng)中特殊處理，避免和大功率的電源地、數(shù)字地以及易產(chǎn)生干擾地線直接連接。尤其是微小信號(hào)的測(cè)量，信號(hào)地通常需要采取隔離技術(shù)，防止干擾信號(hào)通過(guò)搭鐵線竄人各級(jí)，以降低電磁干擾和輻射。

如果采用屏蔽雙絞線，在干線上應(yīng)該找一點(diǎn)將屏蔽層用導(dǎo)線直接接地，該點(diǎn)所受干擾最小，同時(shí)該點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)中心附近^[5]。

4展望

隨著CAN總線在汽車上應(yīng)用越來(lái)越廣泛，針對(duì)CAN節(jié)點(diǎn)控制器線束回路的設(shè)計(jì)也非常有必要，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)CAN控制器回路包括電源分配，線間布置，接地設(shè)計(jì)能有效保證CAN信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸，完成CAN控制器功能的實(shí)現(xiàn)。

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