CAN总线“镰刀波形”异常原因剖析及优化解决方案

原创 美男子玩编程 2025-03-12 08:01

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在实际工业应用中,无论是 CAN 总线还是 485 总线,常因组网后波形边沿过缓、出现“镰刀”状的现象而导致数据丢失或出错。


这一现象背后的原理是什么?我们通过一个真实案例对其前因后果进行详细剖析。


某工业机器人客户反馈,在进行数据传输时,发生了丢帧问题。


经现场模拟,发现客户的组网方式为 31 个节点的手拉手拓扑结构,通讯波特率设为 250kbps



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异常波形分析

技术团队通过 CAN 分析仪抓取第 31 个节点的总线波形,发现其边沿过缓,且呈现明显的“镰刀”状。




经过分析,总线波形出现此类异常的主要原因是 总线上存在较大的等效电容,导致信号的充放电时间过长。


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电容效应与波形异常的理论基础

根据充放电时间公式 t=RCt = RCt=RC:

  • RRR:等效电阻,包括 收发器内阻和 终端电阻
  • CCC:等效电容,包括引脚对地电容(Cj1)和总线间电容(Cj2)。


当总线电平从高变低时,电容上的电压需通过内阻 RRR 和终端电阻释放。若 等效电容过大,放电时间增大,导致波形边沿变缓。



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总线接口电路检查与优化

通过检查客户使用的 CAN 接口保护电路



发现:电路中采用了 TVS 管和 气体放电管作为保护器件。TVS 管的结电容较大,通常在数百到上千皮法,多个节点组网时,结电容叠加会显著影响总线性能。


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实验验证与优化过程

去除部分 TVS 管后(保留部分保护器件)

波形边沿迟缓程度有所改善,但仍呈“镰刀”状。


完全去除 TVS 管后


波形恢复正常,“镰刀”状消失,且丢帧问题解决。


对比去掉 TVS 管前后的波形:

  • 优化前边沿时间约 1.3 µs
  • 优化后边沿时间减小至 160 ns,通讯性能显著提升。


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结论与建议

异常波形的核心原因

  • 总线等效电容过大是“镰刀”波形的主因。
  • 保护电路中使用的大结电容器件(如 TVS 管)可能导致总线性能下降,需权衡其保护效果与通讯效率。

优化方向

  • 优选低结电容的保护器件。
  • 组网设计时,尽量减少无必要的并联电容。
  • 在调试时通过波形分析仪定位问题节点,并适时调整终端匹配电阻值或减少节点数。

建议的实践措施

  • 对关键节点进行波形测试,确保边沿时间满足协议要求。
  • 在节点数较多的情况下,适当降低通讯速率或优化拓扑结构(如采用分支网络)。

此案例充分说明,总线通讯的可靠性不仅依赖于设计阶段的参数选型,更需要在现场调试中结合波形分析工具优化组网细节,为工业场景的高效运行提供保障。

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