如何測量CAN總線網絡阻抗

2020-11-23 電子產品世界

　　在CAN應用中，有時會出現我們料想不到的問題，此時，為了準確的排查問題，我們需要通過測量CAN總線網絡阻抗來確定是否滿足CAN規範。本文將闡述測量CAN總線網絡阻抗的原理以及具體方法。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201902/397855.htm

　　一、什麼是阻抗?

　　阻抗是指電路中的電子器件對通過它的特定頻率的交流電流的阻礙作用。在數學上用矢量平面上的複數表示，即Z=R+jX，如圖1所示，Z表示阻抗，實部R稱為電阻，虛部X稱為電抗。而電抗為容抗和感抗的總稱，電容在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為容抗，電感在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為感抗。阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量坐標上的矢量和。

　　圖1 阻抗三角形

　　CAN總線網絡阻抗是指總線間的阻抗。在用直流測量阻抗方法時，測量的是CAN通信網絡或被測CAN節點的等效電阻;在用交流測量阻抗方法時，測量的是總線間的阻抗，包括電阻和電抗。

　　在交流電的領域中，雖然電阻會阻礙電流，但電阻阻值大小不隨頻率產生變化，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，根據容抗和感抗的計算公式可以看出，即：Z_C=1/jωC;Z_L=jωL，其中ω=2πf 。 對於CAN總線間的電抗，我們希望並聯容抗越大越好，串聯感抗越小越好，因為當信號線路寄生電容和寄生電感存在時，會導致信號的上升/下降沿跳變時間變長，同時也會導致信號幅值變小從而可能導致CAN信號通信過程中顯隱性誤判。

　　二、測量方法

　　阻抗測量有多種可選擇的方法，每種方法都有優缺點，為了達到最佳的測量效果需要考慮測量過程中的頻率覆蓋範圍、測量量程、測量精度和操作的方便性。而在這裡，我們選擇普遍使用的電流-電壓直接測量法作為例子。根據阻抗測量的激勵源的不同，我們將電抗測量分為直流阻抗測量和交流阻抗測量。直流阻抗測量測的是CAN通信網絡或CAN節點的等效電阻，而交流阻抗測量的是CAN通信網絡或CAN節點的等效電阻、容抗或感抗。

　　三、測量原理

　　1、直流阻抗測量原理

　　單獨測量CAN總線之間的終端電阻大小可使用直流阻抗測量原理，即，給DUT一個直流電壓源Us和電阻R，與被測電阻Rtest形成迴路，用萬用表測量出電阻R兩端的電壓UR，然後根據歐姆定律可求出被測電阻Rtest。原理圖如圖2所示：　

　　圖2 直流測量阻抗

　　被測電阻Rtest的計算公式如公式( 1 )：

　　

　　2、交流阻抗測量原理

　　測量CAN通信網絡或CAN節點交流阻抗的原理，是給予被測對象一個交流激勵源UAC，與被測對象RP、CP形成迴路。CANScope-StressZ裡的阻抗測量功能用到的就是這個方法，具體操作是：連接好設備後，打開上位機軟體，選擇阻抗測量，點擊開始即可自動完成測試並生成測試結果，如圖3所示。

　　

　　圖3 CANScope阻抗測量界面

　　CANScope-StressZ內部設計的等效阻抗模型是RP‖CP並聯模型，原理圖如圖4所示。

　　

　　圖4 交流測量阻抗RP‖CP並聯模型

　　該模型計算方法如下：

　　

　　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：如下公式(5)：


　　公式( 3 )和公式( 4 )可得已知幅值：如下公式(6)：

　　

　　公式( 5 )和公式( 6 )整理可得公式(7)、公式(8)：

　　四、測量意義

　　1、直流阻抗測量意義

　　直流阻抗測量是為了分析CAN通信網絡或CAN節點的等效電阻，CAN節點間通信要求CANH和CANL之間的電阻為60Ω，才可使通信信號正常。CAN通信不正常、沒有報文、報文出錯、出現振鈴情況下應首先排查CAN總線間的直流阻抗是否符合要求。

　　2、交流阻抗測量意義

　　交流阻抗測量是為了分析CAN通信網絡或CAN節點的等效電阻、容抗和感抗對CAN總線網絡通信的影響，因此需要求出CAN總線網絡的寄生電容和寄生電感的大小，然後和測試標準進行比較，若得出的等效電阻、寄生電容和寄生電感在測試標準允許範圍內，就認為寄生電容和寄生電感不會對CAN總線的正常通信造成影響。

　　由於在實際應用中，CAN總線上可以掛多個節點、CAN節點之間的通信電纜可能比較長，此時通信線纜上存在的寄生電感、寄生電容對通信信號的影響就不能忽略了，線纜上的感抗、容抗都會使信號幅度衰減、邊沿變緩，甚至產生過衝以致CAN網絡終端無法正確識別通信信號;而當通信線纜較短時，寄生電容和寄生電感對網絡的影響基本上可以不用考慮，因此在配置CAN網絡之前應保證線材的電阻率足夠小，線與線之間的阻抗足夠大。

　　總結：

　　在調試CAN網絡過程中遇到通信異常的情況，通常應首先檢查下異常是否由CAN總線網絡中的等效電阻、寄生電容和寄生電感引起的。使用交流測量阻抗的方法，有利於準確定位問題，從而讓排除CAN通信故障變得更加輕鬆。

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