CAN电路设计介绍

原创汽车电子与软件 2024-11-26 08:02

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概要:

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CAN（Controller Area Network）总线作为一种广泛应用于汽车电子、工业自动化等众多领域的串行通信协议，其电路设计的合理性直接影响着整个系统的性能与稳定性。通过阅读本文，您将深入了解CAN电路设计的各个关键环节，包括CAN硬件电路的构成要素、CAN电平标准的特点与应用、CAN收发器的工作原理及选型要点，以及实际的CAN硬件电路设计实例中的细节与技巧。掌握这些知识后，您将能够在相关项目中独立进行CAN电路的设计、优化与故障排查，确保系统间数据通信的高效、可靠进行，提升整个项目的品质与竞争力。

#01

CAN硬件电路

CAN硬件电路主要包括物理层和数据链路层，其中物理层负责信号的传输与接收，是确保CAN总线性能的关键。我们将详细介绍CAN的物理层特性，特别是电平标准和终端电阻的作用，以及如何利用现有方案进行电路的搭建。

CAN通信回路图

1.1 CAN波形

CAN总线有多种电平标准，其中高速CAN（ISO 11898 - 2）和低速容错CAN（ISO 11898 - 3）较为常见。高速CAN适用于对实时性和通信速率要求高的场景，最高传输速率达1Mbps，如汽车发动机控制系统、安全气囊控制系统等，能快速准确传输大量关键数据，确保系统及时响应与可靠运行。低速容错CAN侧重可靠性，对速度要求相对较低，传输速率一般在125kbps以下，常用于汽车车身控制系统、车窗升降系统等，在复杂电磁环境下稳定传输数据，保障系统正常运行。不同电平标准在差分电压范围、传输速率、抗干扰能力等方面存在差异，电路设计时需依具体应用需求谨慎选择，以充分发挥CAN总线优势。

CAN协议的ISO标准

CAN总线借助差分信号进行数据传输，这使其在抗干扰方面独具优势。物理层对CAN波形电平有着明确界定。CAN总线存在显性（Dominant）和隐性（Recessive）两种状态，通过CANH（CAN High）和CANL（CAN Low）两根信号线间的电压差来区分。当CANH和CANL之间的电压差处于1.5V - 3.5V之间（通常约为2V）时，为显性状态，对应逻辑0；当电压差在 - 2V - 0.5V之间（接近0V）时，为隐性状态，对应逻辑1。这种基于差分电压的逻辑判断机制，极大降低了外界电磁干扰对数据传输的影响，确保了信号的准确性。

实际CAN波形图

1.2 终端电阻

阻抗匹配是指信号源内阻、传输线特性阻抗和负载阻抗三者之间达到一种特定的关系，使得信号在传输过程中能够最大限度地将能量从信号源传输到负载，同时减少信号反射等不良影响。在电路设计中，尤其是涉及高速信号传输（如 CAN 总线等通信系统）时，阻抗匹配是非常重要的一个环节。

数字系统中由于信号反射引起的波形畸变

实现阻抗匹配的方式有多种，对于传输线末端的阻抗匹配，常见的方法就是使用终端电阻。通过选择合适的终端电阻值，使其等于传输线的特性阻抗，从而实现阻抗匹配。除了终端电阻匹配外，在电路设计中还需要考虑信号源内阻与传输线特性阻抗的匹配，以及传输线特性阻抗与负载阻抗的匹配等。

阻抗匹配原理图

终端电阻是连接在传输线末端（如 CAN 总线的两端）的电阻器。其电阻值通常是根据传输线的特性阻抗来确定的，在 CAN 总线中，常见的终端电阻值为 120Ω。终端电阻的作用是吸收信号能量，防止信号反射，确保信号在传输线上的完整性和稳定性。

终端电阻

1.3 电平转换 - CAN收发器

实际应用中，不同设备可能工作于不同电源域，或需与其他电平标准的设备通信，此时电平转换电路不可或缺。例如，当CAN总线与工作在3.3V电平的微控制器交互数据，而CAN收发器工作电压为5V时，电平转换电路可适配信号电压，保证CAN信号在不同电平环境下的完整性与准确性，避免电平不匹配引发的信号失真或通信故障。

CAN电平与逻辑的转换

1. 工作原理

在数据发送阶段，控制器将需要发送的数据以逻辑电平信号的形式传输给CAN收发器的发送器模块，发送器模块对这些信号进行处理和驱动，将其转换为符合CAN电平标准的差分信号，并通过CANH和CANL引脚将差分信号发送到CAN总线上。

在数据接收阶段，CAN收发器的接收器模块通过CANH和CANL引脚从总线上接收差分信号，经过内部的放大、滤波和比较等处理后，将其转换为逻辑电平信号，然后传输给控制器进行数据解析。

2. 常用芯片

NXP公司的TJA1051

芯片内容框图：TJA1050芯片内部主要包含电源管理单元、发送器、接收器、保护电路以及状态控制逻辑等模块。电源管理单元负责为芯片内部各模块提供稳定的电源供应；发送器模块实现从逻辑电平到差分信号的转换，并具备驱动能力，确保信号能够在总线上有效传输；接收器模块则负责从总线上接收差分信号，并将其转换为逻辑电平信号；保护电路能够防止芯片在过压、过流等异常情况下受到损坏；状态控制逻辑协调芯片各模块的工作，确保收发器正常运行。

参数关注要点：TJA1051具有高速通信能力，最高支持1Mbps的数据传输速率，能够满足大多数高速CAN应用场景的需求。其电磁兼容性（EMC）性能出色，在复杂的电磁环境下仍能保证稳定的通信。工作电压范围通常为4.5V - 5.5V，在设计电路时需要确保供电电压在此范围内。此外，还需关注其输入输出阻抗等参数，以保证与总线和控制器的良好匹配。例如，在汽车电子控制系统中，由于发动机等设备会产生强烈的电磁干扰，且对通信速率要求较高，TJA1051的高速和高EMC性能使其成为理想的选择。

TJA1051框图

TJA1051封装类型

TJA1051各引脚定义

TI公司的SN65HVD230

芯片内容框图：SN65HVD230芯片内部结构包括CAN控制器接口、收发器核心电路、总线保护电路和电源管理部分。CAN控制器接口用于与微控制器进行数据交互；收发器核心电路实现差分信号与逻辑电平信号之间的转换；总线保护电路能够有效抵御总线上的过压、过流等异常情况，保护芯片和其他电路元件；电源管理部分支持3.3V和5V两种电源电压输入，为芯片提供灵活的供电选择。

参数关注要点：该芯片支持两种常见的电源电压，这为与不同供电电压的微控制器搭配使用提供了便利。它具备强大的故障保护功能，能够在总线出现短路、开路等故障时自动采取保护措施，防止芯片损坏。在选择时，要重点关注其差分输出电压范围、共模输入电压范围等参数，确保其与总线和控制器的电气特性相兼容。例如，在一些工业自动化设备中，如果微控制器采用3.3V供电，且对设备的可靠性和故障保护能力要求较高，SN65HVD230就是一个很好的选择。

SN65HVD230框图

SN65HVD230 Top View

SN65HVD230端子定义

3. 芯片选型要点

在面对实际项目需求时，正确选择CAN收发器至关重要。

①要考虑通信速率要求，如果项目需要高速、实时的数据传输，如汽车的动力系统控制，就应选择支持高速CAN且传输速率满足要求的收发器。

②是工作环境因素，若工作环境电磁干扰严重，像工业生产车间等场所，就必须选择电磁兼容性强的收发器。

③电源电压也是一个关键因素，要确保收发器的工作电压与系统电源相匹配，或者能够通过简单的电平转换电路进行适配。

④成本也是不容忽视的一点，在满足性能要求的前提下，应尽量选择性价比高的芯片。

⑤还要考虑收发器的封装形式，不同的封装形式会影响PCB布局的难易程度和空间占用情况，应根据实际产品的体积和布局要求进行选择。

选型Check List

#02

CAN硬件电路设计实例

2.1 主体CAN收发电路

电路连接：

以常用的微控制器（如STM32系列）和CAN收发器TJA1051为例，微控制器的CAN_TX引脚连接到TJA1051的TXD引脚，用于将控制器要发送的数据传输给收发器。CAN_RX引脚连接到TJA1051的RXD引脚，以便接收从收发器转换后的逻辑电平信号。TJA1051的CANH和CANL引脚分别连接到CAN总线的两根信号线，实现差分信号的发送和接收。在电源连接方面，TJA1051的VCC引脚连接到5V电源，并且为了保证电源的稳定性，需要在电源引脚附近添加去耦电容。通常采用0.1uF和10uF的电容并联，0.1uF的电容用于滤除高频噪声，10uF的电容用于稳定电源电压，减少电源波动对芯片工作的影响。

信号传输：

当微控制器需要发送数据时，数据从CAN_TX引脚输出逻辑电平信号到TJA1051的TXD引脚。TJA1051内部的发送器模块将该逻辑电平信号转换为差分信号，并通过CANH和CANL引脚驱动到CAN总线上进行传输。在接收数据时，TJA1051通过CANH和CANL引脚从总线上接收差分信号，接收器模块将其转换为逻辑电平信号后，通过RXD引脚传输给微控制器的CAN_RX引脚，微控制器再对接收的数据进行处理。

2.2 滤波设计

电容滤波：

在CANH和CANL引脚与地之间分别添加一个50pF - 100pF的电容。这些电容能够有效地滤除总线上的高频噪声，如来自周围电子设备的电磁干扰产生的高频信号。高频噪声可能会导致信号失真或误码，通过电容滤波可以提高信号的质量，确保数据的准确传输。

磁珠滤波：

在CANH和CANL信号线上串联磁珠。磁珠具有特殊的阻抗特性，对高频信号呈现高阻抗，能够抑制高频噪声在信号线上的传输，而对低频信号（如CAN总线的正常通信信号）的阻抗较低，几乎不影响正常信号的传输。这样可以进一步提高CAN总线的抗干扰能力，保证通信的稳定性。

有滤波的主体CAN收发电路

2.3 防护设计

过压保护：

在CANH和CANL引脚与地之间添加TVS（Transient Voltage Suppressor）二极管。TVS二极管是一种高效的过压保护器件，当总线上出现过压情况时，例如由于雷电感应或其他电源浪涌事件导致的电压尖峰，TVS二极管能够迅速导通，将过压能量泄放到地，从而保护CAN收发器和其他连接在总线上的电路元件不受损坏。在选择TVS二极管时，要根据CAN总线可能出现的最大过压值来确定其击穿电压，确保其能够在过压发生时及时动作，同时还要考虑其功率容量，以保证能够承受过压事件中的能量冲击。

有TVS的主体CAN收发电路

静电防护：

如果ECU是放在容易被触碰到的位置，就需要在在CAN接口处添加ESD（Electrostatic Discharge）保护器件，如ESD二极管。在实际应用中，人体静电放电或其他静电事件可能会对CAN电路造成损害。ESD保护器件能够在静电放电发生时，迅速将静电能量引导到地，防止静电对CAN收发器造成永久性损坏。在电路布局时，要将ESD保护器件尽量靠近CAN接口放置，以缩短静电放电路径，提高防护效果。同时，还要注意ESD保护器件的寄生电容不能过大，以免影响CAN信号的传输质量。通过以上对CAN电路设计各个方面的详细阐述，从理论知识到实际应用实例，相信读者能够全面掌握CAN电路设计的要点和技巧，在实际项目中设计出稳定、可靠的CAN电路。

有ESD的主体CAN收发电路

#03

结语

通过上述设计，我们不仅实现了基本的数据传输功能，还增强了系统的可靠性和耐用性。希望本文能帮助您更好地理解和应用CAN技术，为您的项目带来成功。下一次我们再来看看协议层里面的帧的封装与拆装，流量控制与错误恢复，仲裁机制实现等机制吧。

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