CAN總線通信技術(shù)應(yīng)用分析與優(yōu)化

王 坤,梁星霞,周 云

(中國船舶集團(tuán)公司第八研究院,江蘇 南京 211153)

0 引言

控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network,CAN)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)分布式實(shí)時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線技術(shù)以其信號傳輸全數(shù)字化,控制功能全數(shù)字化,標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一全開放化的特點(diǎn)適應(yīng)工業(yè)控制領(lǐng)域的分散化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展趨勢而成為當(dāng)前控制領(lǐng)域的熱門技術(shù)[1]。CAN總線以其高可靠性、長傳輸距離和低成本而具有的巨大應(yīng)用潛力而為業(yè)界所關(guān)注。尤其是在日益發(fā)展的以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)中,CAN總線在近距離實(shí)時控制時可達(dá)1 Mbps。在信息交互過程中,不特別強(qiáng)調(diào)實(shí)時控制時,CAN總線能以5 kbps的速度傳輸10 km而不需任何中繼器或路由器等設(shè)備參與組網(wǎng),是其他類型的任一現(xiàn)場總線所不可比擬的[2]。從經(jīng)濟(jì)、方便、安全、可靠的角度而言,CAN總線在企業(yè)的信息交換溝通領(lǐng)域里有著極其廣闊的應(yīng)用前景[3]。

1.2.1 建立浙江省森林古道景觀綜合價值評價體系 主要通過改良過的德爾菲法(Modified Delphi Method，MDM)、層次分析法(AHP)以及模糊綜合評價法建立[7]。

1 CAN總線通信在國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

CAN總線技術(shù)是一種90年代興起的現(xiàn)場總線技術(shù),是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線的高性能和可靠性已被認(rèn)同,并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、雷達(dá)通信設(shè)備等方面。本文擬從CAN總線終端電阻的選型匹配,對終端電阻通信仿真模擬及外場調(diào)試經(jīng)驗(yàn)等幾個方面進(jìn)行分析優(yōu)化闡述。

2 CAN總線終端電阻選型匹配

終端電阻是一種電子信息在傳輸過程中遇到的阻礙。高頻信號傳輸時,信號波長相對通信電纜較短,信號在通信電纜終端會形成反射波,從而干擾原信號。所以傳輸線末端需要加終端電阻,使信號到達(dá)傳輸線末端后不反射。在長線信號傳輸時,一般為了避免信號的反射和回波,也需要在接收端接入終端匹配電阻[4]。

如圖1所示,通信電纜是用于信號傳輸?shù)囊环N電線,CAN總線中使用的雙絞線是通信電纜的其中一種。

經(jīng)皮腎動脈介入對腎動脈狹窄患者Pickering綜合征發(fā)作、血壓和心功能的影響…………………………………………………………………… 秦 軍，等(1):118

圖1 通信物理模型

CAN總線加入終端電阻,主要有以下作用:(1)提高抗干擾能力,讓高頻低能量的信號迅速走掉;(2)確保總線快速進(jìn)入隱性狀態(tài),讓寄生電容的能量更快走掉;(3)提高信號質(zhì)量,放置在總線的兩端,讓反射能量降低。下面筆者就其作用,分別對其進(jìn)行模擬仿真。

這段小電纜中電壓電流關(guān)系推出等式(1)和(2),將式子(1)兩邊對x偏微分代入式子(2)推出(3):

(1)

(2)

(3)

對式子(3)的求解可以通過兩邊做拉普拉斯變換,通解為:

Ux,t=U±ei(wt-βx)*e-αx

(4)

(5)

隨著水稻種類的增多，更多的先進(jìn)技術(shù)的研究與出現(xiàn)對水稻識別工作具有促進(jìn)作用，其中近紅外光譜技術(shù)已屢見不鮮。在利用近紅外光譜技術(shù)時，采取全波段與特征波段兩種方法進(jìn)行模型建立，收集純度高的雜交水稻光譜數(shù)據(jù)，隨后對其純度進(jìn)行鑒定，這種模型測定的準(zhǔn)確率極高，據(jù)研究表明，可以達(dá)到100%的效果。因而，采用這種方法是有效的，與全波段模型相比，特征波段模型的預(yù)測精度更高。

(6)

(7)

即在一般情況輸入端的阻抗與β和電纜長度相關(guān),β又與信號的頻率相關(guān)。其表現(xiàn)出來的物理意義就是在末端反射一個信號波與原來的波疊加產(chǎn)生的影響。

在一般電纜中,每米的電容C大概為100 pF/m,每米電感L為250 nH/m,可推出波的速度為2 e8m/s, 即為光速的三分之二。

阻抗Z=U(x,t)/I(x,t)。將U的解代入式(1)可以推出阻抗Z的表達(dá)式:

這個解可以理解為一個信號U(t)以波的形式向右傳播,其中速度為v=ω/β,衰減為e-α。在無損條件下即R=0,G=0,可以得出,α和β的值,其中α=0,即電磁波沒有衰減。

(8)

(2)當(dāng)Rb=無窮時,即斷路,R1只有虛部,相位為負(fù),相當(dāng)于電容。末端反射一個正相信號。

問題究竟出在哪里?首先是思想定位問題。我們把公安信息化簡單理解成信息技術(shù)在公安工作中的應(yīng)用，把公安信息化搞成了建設(shè)工程，以信息技術(shù)引領(lǐng)公安信息化建設(shè)，讓警務(wù)跟著技術(shù)走，這種思想主導(dǎo)下公安信息化當(dāng)然取得的只是技術(shù)進(jìn)步。

在航拍前按照具體要求在測區(qū)內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的像控點(diǎn)，然后利用無人機(jī)獲得測區(qū)地面影像數(shù)據(jù)(帶有POS數(shù)據(jù)的影像)。然后利用Smart 3D進(jìn)行空三加密和重建生成模型，獲得測區(qū)的3D 模型、DSM和TDOM。接下來使用ArcGIS對DSM進(jìn)行等高線提取。最后使用南方數(shù)碼iData加載3D模型和TDOM進(jìn)行各種地物、地貌、植被范圍、高程注記點(diǎn)采集，并修改受植被、各種建(構(gòu))筑物高度影響的等高線?；胤派傻牡匦螆D進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪檢查，實(shí)地調(diào)繪房屋縮檐數(shù)據(jù)，調(diào)查地物、土質(zhì)、植被屬性和各類名稱注記，最終完成地形圖編輯制作。具體作業(yè)流程，見圖1。

(9)

其中,D為雙絞線間距,d為雙絞線直徑,一般D的值比較難估計(jì),通常雙絞線的阻抗通過實(shí)驗(yàn)測得,一般有100 Ω,120 Ω和150 Ω幾種。

當(dāng)α=0時,

將兩處的邊界條件代入通解式子可以推出:

U(x)=U0cosh(γx)-I0Zsinh(γx)

(10)

(11)

(12)

末端反射問題:假設(shè)在末端接入電阻Rb,當(dāng)Rb=0時為短接,Rb無窮時為斷開。在末端處x=0,輸入出x=l,在信號輸入處有R1=U(l,t)/I(l,t),末端為Rb=U(0)/I(0)。R1的物理含義是在信號輸入端檢測到的阻抗。

(13)

最后,通過β的值推算出波的傳播速度v。

2017年，學(xué)校教改項(xiàng)目管理系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)并投入試用，進(jìn)行首次校級教改項(xiàng)目在線申報，二級學(xué)院管理者通過系統(tǒng)進(jìn)行在線審批，校級管理者通過系統(tǒng)將所有申報項(xiàng)目分配給評審專家進(jìn)行盲評，提出評審意見并進(jìn)行反饋。系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行正常，基本實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)；但通過應(yīng)用實(shí)踐也發(fā)現(xiàn)一些問題，需要進(jìn)一步完善。

(1)當(dāng)電纜很短時,R1約等于Rb。即反射現(xiàn)象幾乎可以忽略。

考慮理想電線電阻R=0和漏電G=0,則有

(3)當(dāng)Rb=0時,即短路,R1只有虛部,相位為正,相當(dāng)于電感。末端反射一個負(fù)相信號。

(4)當(dāng)Rb=Z時,R1=Rb=Z,即無反射。

到此為止已經(jīng)可以解答了這個問題,就是使終端電阻等于電纜阻抗時可以消除反射。通過以上信號反射產(chǎn)生的原因,研究可以總結(jié)出:終端電阻的阻值取決于線纜的阻抗。

3 CAN總線終端電阻通信模擬仿真

筆者分析一小段電纜,設(shè)電纜每單位長度包含電阻R[Ohm/m],電感L[H/m],漏電G[S/m]和電容C[F/m]。信號電壓的頻率f=2×pi×w。

3.1 提高抗干擾能力

如圖2所示,CAN總線上的信號區(qū)由“顯性”和“隱性”兩種狀態(tài)構(gòu)成?！帮@性”對應(yīng)二進(jìn)制的“邏輯0”?！半[性”對應(yīng)二進(jìn)制的“邏輯1”,如圖2所示。

圖2 CAN總線信號邏輯

CANH與CANL差分電壓為0 V左右時為“隱性”,差分電壓為2 V左右時為“顯性”?！帮@性”或“隱性”由CAN收發(fā)器決定。以CAN收發(fā)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為例,內(nèi)部邏輯框如圖3所示。

所以成人應(yīng)當(dāng)利用兒童的好問心，鼓勵他們自己去探索，以達(dá)到鍛煉他的思維能力以及獨(dú)立解決問題的能力的目的。

圖3 CAN收發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)邏輯

總線“顯性”時,收發(fā)器內(nèi)部Q1、Q2導(dǎo)通,CANH、CANL之間產(chǎn)生壓差;“隱性”時,Q1、Q2截止,CANH、CANL處于無源狀態(tài),壓差為0。

硬件方面：一是外觀設(shè)計(jì)標(biāo)志化。對所有設(shè)計(jì)進(jìn)行定標(biāo)，使檢測室具有食藥監(jiān)識別性。二是必備配置統(tǒng)一化。實(shí)現(xiàn)檢測室“六個一”，包括一個門頭、一塊屏幕、一個檢測設(shè)備、一個標(biāo)準(zhǔn)操作臺、一套檢測制度、一條文化標(biāo)語。三是內(nèi)部裝飾可復(fù)制化。內(nèi)部家具均來自于宜家，保證了后期檢測室的持續(xù)復(fù)制。

處置程序：①安排現(xiàn)場根據(jù)需要采取應(yīng)急措施，做好事故搶修組織準(zhǔn)備工作；②安排副科級人員到調(diào)度臺指揮、副科級或主管技術(shù)人員到現(xiàn)場；③由隊(duì)長或書記在隊(duì)組指揮，一人到現(xiàn)場；④安監(jiān)處安排副科級以上人員在調(diào)度臺指揮、安全調(diào)度副主任以上人員現(xiàn)場監(jiān)護(hù)。

總線負(fù)載時,“隱性”時差分電阻阻值很大,外部的干擾只需要極小的能量即可讓總線進(jìn)入“顯性”(一般的收發(fā)器顯性門限最小電壓僅500 mV,壓差為500 mV時,總線就判斷為“顯性”)?？偩€上有差模干擾時,總線上就會有明顯的波動,而這些波動沒有地方能夠吸收掉它們,就會在總線上創(chuàng)造一個顯性位出來。為提升總線隱性時的抗干擾能力,可以增加一個差分負(fù)載電阻,且阻值盡可能小,以杜絕大部分噪聲能量的影響。為了避免需要過大的電流總線才能進(jìn)入“顯性”,阻值不能過小。

3.2 確?？偩€盡快進(jìn)入隱性狀態(tài)

因?yàn)榭偩€上不可避免地存在寄生電容,所以CAN總線數(shù)據(jù)傳輸時,“隱性”和“顯性”狀態(tài)變化會對寄生電容進(jìn)行充電和放電。若總線中無阻性負(fù)載,信號波形就會出現(xiàn)“緩慢變化”的過程,如圖4所示。

圖4 無阻性負(fù)載信號波形

為了讓總線寄生電容快速放電,確?？偩€快速進(jìn)入隱性狀態(tài),筆者需要在CANH、CANL之間放置一個負(fù)載電阻,如圖5所示,此圖是具有負(fù)載電阻后信號波形仿真圖。

3）附屬工程系統(tǒng)龐大。綜合管廊內(nèi)設(shè)置通風(fēng)、燃?xì)?、電力、排水等附屬工程系統(tǒng)，由控制中心集中控制，實(shí)現(xiàn)全智能化運(yùn)行。另外還有一部分屬于開放式走道，作為日常人行通道。

圖5 具有阻性負(fù)載信號波形

筆者在CANH、CANL之間分別增加一個60 Ω的電阻后,從圖5中看出,顯性恢復(fù)到隱性的時間縮減到128 ns,與顯性建立時間相當(dāng)。

由以上的波形對比可發(fā)現(xiàn),終端電阻會使總線更快地在“顯性”和“隱性”狀態(tài)間變化。

3.3 吸收反射信號,提高信號質(zhì)量

信號在較高的轉(zhuǎn)換速率情況下,遇到阻抗變化時就會產(chǎn)生信號反射;另外,傳輸線纜橫截面的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時,線纜的特征阻抗也會隨之變化,繼而造成反射。反射的信號則會返回來影響質(zhì)量,在總線上產(chǎn)生“振鈴”,如圖6所示。

若“振鈴”信號過大,該信號就會影響信號質(zhì)量,甚至造成總線數(shù)據(jù)傳輸錯誤。

筆者在電纜末端增加一個與電纜特征阻抗一致的終端電阻,可以對反射信號進(jìn)行能量吸收,避免產(chǎn)生振鈴,如圖7所示。

圖7 具有阻抗時總線信號

4 CAN總線通信外場調(diào)試

某型雷達(dá)分機(jī)系統(tǒng)調(diào)試時,出現(xiàn)水冷機(jī)柜分系統(tǒng)與發(fā)射分系統(tǒng)之間的兩端通信不一致。為了排除信號電纜問題,筆者重新做了3 m長的雙絞線,模擬艙內(nèi)的電纜。筆者在長線這頭測試,仍存在之前的問題,所以兩端通信不一致與通信電纜無關(guān)。筆者將水冷PLC的120 Ω電阻接入,再在長線這頭測試,此時長線這頭的信號與艙內(nèi)轉(zhuǎn)換插座上一致。因此,驗(yàn)證了分系統(tǒng)之間通信,通信電纜兩端需要進(jìn)行阻抗匹配,即通信電纜兩端需要加入終端電阻,以免造成雷達(dá)整機(jī)通信上的誤判。

5 結(jié)語

在某型雷達(dá)系統(tǒng)調(diào)試中,筆者發(fā)現(xiàn)發(fā)射分機(jī)與水冷機(jī)柜通信過程出現(xiàn)信號誤碼,通信電纜兩端信號不一致問題。本文通過對CAN總線終端電阻的選型匹配,對終端電阻通信仿真模擬及外場調(diào)試經(jīng)驗(yàn)等幾個方面進(jìn)行闡述,解決了上述問題,提高了CAN總線通信傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。