如何測(cè)量CAN總線網(wǎng)絡(luò)阻抗

在CAN應(yīng)用中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)我們料想不到的問(wèn)題，此時(shí)，為了準(zhǔn)確的排查問(wèn)題，我們需要通過(guò)測(cè)量CAN總線網(wǎng)絡(luò)阻抗來(lái)確定是否滿足CAN規(guī)范。本文將闡述測(cè)量CAN總線網(wǎng)絡(luò)阻抗的原理以及具體方法。

1什么是阻抗?

阻抗是指電路中的電子器件對(duì)通過(guò)它的特定頻率的交流電流的阻礙作用。在數(shù)學(xué)上用矢量平面上的復(fù)數(shù)表示，即Z=R+jX，如圖1所示，Z表示阻抗，實(shí)部R稱(chēng)為電阻，虛部X稱(chēng)為電抗。而電抗為容抗和感抗的總稱(chēng)，電容在電路中對(duì)交流電所起的阻礙作用稱(chēng)為容抗，電感在電路中對(duì)交流電所起的阻礙作用稱(chēng)為感抗。阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量坐標(biāo)上的矢量和。

圖1 阻抗三角形

CAN總線網(wǎng)絡(luò)阻抗是指總線間的阻抗。在用直流測(cè)量阻抗方法時(shí)，測(cè)量的是CAN通信網(wǎng)絡(luò)或被測(cè)CAN節(jié)點(diǎn)的等效電阻;在用交流測(cè)量阻抗方法時(shí)，測(cè)量的是總線間的阻抗，包括電阻和電抗。

在交流電的領(lǐng)域中，雖然電阻會(huì)阻礙電流，但電阻阻值大小不隨頻率產(chǎn)生變化，而容抗和感抗的阻抗值大小是和交流電的頻率有關(guān)的，頻率越高，則容抗越小，感抗越大;頻率越低，則容抗越大，感抗越小，根據(jù)容抗和感抗的計(jì)算公式可以看出，即：Z_C=1/jωC;Z_L=jωL，其中ω=2πf。對(duì)于CAN總線間的電抗，我們希望并聯(lián)容抗越大越好，串聯(lián)感抗越小越好，因?yàn)楫?dāng)信號(hào)線路寄生電容和寄生電感存在時(shí)，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的上升/下降沿跳變時(shí)間變長(zhǎng)，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)幅值變小從而可能導(dǎo)致CAN信號(hào)通信過(guò)程中顯隱性誤判。

2測(cè)量方法

阻抗測(cè)量有多種可選擇的方法，每種方法都有優(yōu)缺點(diǎn)，為了達(dá)到最佳的測(cè)量效果需要考慮測(cè)量過(guò)程中的頻率覆蓋范圍、測(cè)量量程、測(cè)量精度和操作的方便性。而在這里，我們選擇普遍使用的電流-電壓直接測(cè)量法作為例子。根據(jù)阻抗測(cè)量的激勵(lì)源的不同，我們將電抗測(cè)量分為直流阻抗測(cè)量和交流阻抗測(cè)量。直流阻抗測(cè)量測(cè)的是CAN通信網(wǎng)絡(luò)或CAN節(jié)點(diǎn)的等效電阻，而交流阻抗測(cè)量的是CAN通信網(wǎng)絡(luò)或CAN節(jié)點(diǎn)的等效電阻、容抗或感抗。

3測(cè)量原理

1、直流阻抗測(cè)量原理

單獨(dú)測(cè)量CAN總線之間的終端電阻大小可使用直流阻抗測(cè)量原理，即，給DUT一個(gè)直流電壓源Us和電阻R，與被測(cè)電阻Rtest形成回路，用萬(wàn)用表測(cè)量出電阻R兩端的電壓UR，然后根據(jù)歐姆定律可求出被測(cè)電阻Rtest。原理圖如圖2所示：

圖2 直流測(cè)量阻抗

被測(cè)電阻Rtest的計(jì)算公式如公式(1)：

2、交流阻抗測(cè)量原理

測(cè)量CAN通信網(wǎng)絡(luò)或CAN節(jié)點(diǎn)交流阻抗的原理，是給予被測(cè)對(duì)象一個(gè)交流激勵(lì)源UAC，與被測(cè)對(duì)象RP、CP形成回路。CANScope-StressZ里的阻抗測(cè)量功能用到的就是這個(gè)方法，具體操作是：連接好設(shè)備后，打開(kāi)上位機(jī)軟件，選擇阻抗測(cè)量，點(diǎn)擊開(kāi)始即可自動(dòng)完成測(cè)試并生成測(cè)試結(jié)果，如圖3所示。

圖3 CANScope阻抗測(cè)量界面

CANScope-StressZ內(nèi)部設(shè)計(jì)的等效阻抗模型是RP‖CP并聯(lián)模型，原理圖如圖4所示。

圖4 交流測(cè)量阻抗RP‖CP并聯(lián)模型

該模型計(jì)算方法如下公式(2)：

將公式(2)整理可得公式(3)、公式(4)：

公式(3)和公式(4)相除可得已知相位角的正切值tan?θ，如下公式(5)：

公式(3)和公式(4)可得已知幅值|Z|，如下公式(6)：

公式(5)和公式(6)整理可得如下公式(7)、公式(8)：

4測(cè)量意義

1、直流阻抗測(cè)量意義

直流阻抗測(cè)量是為了分析CAN通信網(wǎng)絡(luò)或CAN節(jié)點(diǎn)的等效電阻，CAN節(jié)點(diǎn)間通信要求CANH和CANL之間的電阻為60Ω，才可使通信信號(hào)正常。CAN通信不正常、沒(méi)有報(bào)文、報(bào)文出錯(cuò)、出現(xiàn)振鈴情況下應(yīng)首先排查CAN總線間的直流阻抗是否符合要求。

2、交流阻抗測(cè)量意義

交流阻抗測(cè)量是為了分析CAN通信網(wǎng)絡(luò)或CAN節(jié)點(diǎn)的等效電阻、容抗和感抗對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信的影響，因此需要求出CAN總線網(wǎng)絡(luò)的寄生電容和寄生電感的大小，然后和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，若得出的等效電阻、寄生電容和寄生電感在測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，就認(rèn)為寄生電容和寄生電感不會(huì)對(duì)CAN總線的正常通信造成影響。

由于在實(shí)際應(yīng)用中，CAN總線上可以掛多個(gè)節(jié)點(diǎn)、CAN節(jié)點(diǎn)之間的通信電纜可能比較長(zhǎng)，此時(shí)通信線纜上存在的寄生電感、寄生電容對(duì)通信信號(hào)的影響就不能忽略了，線纜上的感抗、容抗都會(huì)使信號(hào)幅度衰減、邊沿變緩，甚至產(chǎn)生過(guò)沖以致CAN網(wǎng)絡(luò)終端無(wú)法正確識(shí)別通信信號(hào);而當(dāng)通信線纜較短時(shí)，寄生電容和寄生電感對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響基本上可以不用考慮，因此在配置CAN網(wǎng)絡(luò)之前應(yīng)保證線材的電阻率足夠小，線與線之間的阻抗足夠大。

5總結(jié)

在調(diào)試CAN網(wǎng)絡(luò)過(guò)程中遇到通信異常的情況，通常應(yīng)首先檢查下異常是否由CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的等效電阻、寄生電容和寄生電感引起的。使用交流測(cè)量阻抗的方法，有利于準(zhǔn)確定位問(wèn)題，從而讓排除CAN通信故障變得更加輕松。