概要:

      CAN（Controller Area Network）總線作為一種廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子、工業(yè)自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域的串行通信協(xié)議，其電路設(shè)計(jì)的合理性直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定性。通過(guò)閱讀本文，您將深入了解CAN電路設(shè)計(jì)的各個(gè)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(diǎn)與應(yīng)用、CAN收發(fā)器的工作原理及選型要點(diǎn)，以及實(shí)際的CAN硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)例中的細(xì)節(jié)與技巧。掌握這些知識(shí)后，您將能夠在相關(guān)項(xiàng)目中獨(dú)立進(jìn)行CAN電路的設(shè)計(jì)、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(gè)項(xiàng)目的品質(zhì)與競(jìng)爭(zhēng)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(hào)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(cuò)CAN（ISO 11898 - 3）較為常見(jiàn)。高速CAN適用于對(duì)實(shí)時(shí)性和通信速率要求高的場(chǎng)景，最高傳輸速率達(dá)1Mbps，如汽車(chē)發(fā)動(dòng)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(shí)響應(yīng)與可靠運(yùn)行。低速容錯(cuò)CAN側(cè)重可靠性，對(duì)速度要求相對(duì)較低，傳輸速率一般在125kbps以下，常用于汽車(chē)車(chē)身控制系統(tǒng)、車(chē)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(yùn)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(jì)時(shí)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(shì)。

CAN協(xié)議的ISO標(biāo)準(zhǔn)          

      CAN總線借助差分信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這使其在抗干擾方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。物理層對(duì)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(guò)CANH（CAN High）和CANL（CAN Low）兩根信號(hào)線間的電壓差來(lái)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(shí)，為顯性狀態(tài)，對(duì)應(yīng)邏輯0；當(dāng)電壓差在 - 2V - 0.5V之間（接近0V）時(shí)，為隱性狀態(tài)，對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，確保了信號(hào)的準(zhǔn)確性。

   

實(shí)際CAN波形圖          

1.2 終端電阻

      阻抗匹配是指信號(hào)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(hào)在傳輸過(guò)程中能夠最大限度地將能量從信號(hào)源傳輸?shù)截?fù)載，同時(shí)減少信號(hào)反射等不良影響。在電路設(shè)計(jì)中，尤其是涉及高速信號(hào)傳輸（如 CAN 總線等通信系統(tǒng)）時(shí)，阻抗匹配是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

數(shù)字系統(tǒng)中由于信號(hào)反射引起的波形畸變          

      實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的方式有多種，對(duì)于傳輸線末端的阻抗匹配，常見(jiàn)的方法就是使用終端電阻。通過(guò)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(shí)現(xiàn)阻抗匹配。除了終端電阻匹配外，在電路設(shè)計(jì)中還需要考慮信號(hào)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(lái)確定的，在 CAN 總線中，常見(jiàn)的終端電阻值為 120Ω。終端電阻的作用是吸收信號(hào)能量，防止信號(hào)反射，確保信號(hào)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(shí)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(shí)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(shí)，電平轉(zhuǎn)換電路可適配信號(hào)電壓，保證CAN信號(hào)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(hào)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(hào)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(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理和驅(qū)動(dòng)，將其轉(zhuǎn)換為符合CAN電平標(biāo)準(zhǔn)的差分信號(hào)，并通過(guò)CANH和CANL引腳將差分信號(hào)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(guò)CANH和CANL引腳從總線上接收差分信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(hào)，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(shí)現(xiàn)從邏輯電平到差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并具備驅(qū)動(dòng)能力，確保信號(hào)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(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為邏輯電平信號(hào)；保護(hù)電路能夠防止芯片在過(guò)壓、過(guò)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(yùn)行。

      - 參數(shù)關(guān)注要點(diǎn)：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(mǎn)足大多數(shù)高速CAN應(yīng)用場(chǎng)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(jì)電路時(shí)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(chē)電子控制系統(tǒng)中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，且對(duì)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(lèi)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(shí)現(xiàn)差分信號(hào)與邏輯電平信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換；總線保護(hù)電路能夠有效抵御總線上的過(guò)壓、過(guò)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(diǎn)：該芯片支持兩種常見(jiàn)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(kāi)路等故障時(shí)自動(dòng)采取保護(hù)措施，防止芯片損壞。在選擇時(shí)，要重點(diǎn)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(dòng)化設(shè)備中，如果微控制器采用3.3V供電，且對(duì)設(shè)備的可靠性和故障保護(hù)能力要求較高，SN65HVD230就是一個(gè)很好的選擇。

SN65HVD230框圖 

   

SN65HVD230 Top View  

 

SN65HVD230端子定義         

 3. 芯片選型要點(diǎn)

      在面對(duì)實(shí)際項(xiàng)目需求時(shí)，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(xiàng)目需要高速、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，如汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)控制，就應(yīng)選擇支持高速CAN且傳輸速率滿(mǎn)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(chē)間等場(chǎng)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(gè)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(guò)簡(jiǎn)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(diǎn)，在滿(mǎn)足性能要求的前提下，應(yīng)盡量選擇性?xún)r(jià)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(huì)影響PCB布局的難易程度和空間占用情況，應(yīng)根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的體積和布局要求進(jìn)行選擇。  

選型Check List

#02 CAN硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)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(hào)。TJA1051的CANH和CANL引腳分別連接到CAN總線的兩根信號(hào)線，實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)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(dòng)對(duì)芯片工作的影響。          

      信號(hào)傳輸：

      當(dāng)微控制器需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)從CAN_TX引腳輸出邏輯電平信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，并通過(guò)CANH和CANL引腳驅(qū)動(dòng)到CAN總線上進(jìn)行傳輸。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，TJA1051通過(guò)CANH和CANL引腳從總線上接收差分信號(hào)，接收器模塊將其轉(zhuǎn)換為邏輯電平信號(hào)后，通過(guò)RXD引腳傳輸給微控制器的CAN_RX引腳，微控制器再對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。                     

2.2 濾波設(shè)計(jì)

      電容濾波：

      在CANH和CANL引腳與地之間分別添加一個(gè)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(lái)自周?chē)娮釉O(shè)備的電磁干擾產(chǎn)生的高頻信號(hào)。高頻噪聲可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真或誤碼，通過(guò)電容濾波可以提高信號(hào)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(hào)線上串聯(lián)磁珠。磁珠具有特殊的阻抗特性，對(duì)高頻信號(hào)呈現(xiàn)高阻抗，能夠抑制高頻噪聲在信號(hào)線上的傳輸，而對(duì)低頻信號(hào)（如CAN總線的正常通信信號(hào)）的阻抗較低，幾乎不影響正常信號(hào)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(jì)

      過(guò)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(guò)壓保護(hù)器件，當(dāng)總線上出現(xiàn)過(guò)壓情況時(shí)，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(guò)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(shí)，要根據(jù)CAN總線可能出現(xiàn)的最大過(guò)壓值來(lái)確定其擊穿電壓，確保其能夠在過(guò)壓發(fā)生時(shí)及時(shí)動(dòng)作，同時(shí)還要考慮其功率容量，以保證能夠承受過(guò)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(shí)際應(yīng)用中，人體靜電放電或其他靜電事件可能會(huì)對(duì)CAN電路造成損害。ESD保護(hù)器件能夠在靜電放電發(fā)生時(shí)，迅速將靜電能量引導(dǎo)到地，防止靜電對(duì)CAN收發(fā)器造成永久性損壞。在電路布局時(shí)，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(shí)，還要注意ESD保護(hù)器件的寄生電容不能過(guò)大，以免影響CAN信號(hào)的傳輸質(zhì)量。通過(guò)以上對(duì)CAN電路設(shè)計(jì)各個(gè)方面的詳細(xì)闡述，從理論知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用實(shí)例，相信讀者能夠全面掌握CAN電路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和技巧，在實(shí)際項(xiàng)目中設(shè)計(jì)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(yǔ)

              

      通過(guò)上述設(shè)計(jì)，我們不僅實(shí)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(xiàng)目帶來(lái)成功。下一次我們?cè)賮?lái)看看協(xié)議層里面的幀的封裝與拆裝，流量控制與錯(cuò)誤恢復(fù)，仲裁機(jī)制實(shí)現(xiàn)等機(jī)制吧。