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CAN FD 升级之后通讯距离会缩短吗?

2019-05-10

CAN FD允许最大64字节数据帧,并且数据段部分的传输速率高达5Mbit/s。那么,CAN FD升级之后,通讯距离是否会缩短呢?本文带你一起探讨。rvI电子头条

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CAN FD继承了CAN总线的主要特性,提高了CAN总线的网络通信带宽,改善了错误帧漏检率,同时可以保持网络系统大部分软硬件特别是物理层不变。CAN FD采用了两种方式来提高通信的效率:rvI电子头条

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• 可变以及更高的数据传输速率: 从控制场中的BRS位到ACK场之前(含CRC分界符)为可变速率。CAN FD数据段的传输速率最大可达5Mbit/s,但为了保证总线的健壮可靠,仲裁段(ID和ACK)保持不变,采用原CAN总线用的速率(最高1Mbit/s)。注意:两种速率各有一套位时间定义寄存器。rvI电子头条

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• 新的数据场长度:每帧可达64字节的数据长度可以减少报文数量降低总线负载率。rvI电子头条

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一、波特率与通讯距离的关系rvI电子头条

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众所周知,波特率与通讯距离成反比。既然CAN FD能够提高波特率,是否通讯距离会缩短呢?在相同条件下,提升波特率通讯距离必然减小。波特率指的是CAN波形中最小位宽时间的倒数。rvI电子头条

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下表为在现场环境下测出的波特率与通讯距离的关系。表中可以看出,相同条件下波特率增大,通讯距离将变短,并且跟终端电阻也有一定的关系rvI电子头条

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在理想条件下,通讯距离(m)等于50000除以波特率(kbps),但是在现场环境中,由于各种干扰的存在,实际通讯距离将大打折扣,实际通讯距离可能是理想值的百分之70,甚至更低。所以,影响通讯距离的因素不只是波特率,还有现场环境以及CAN网络布局等。CAN FD升级之后,在同等条件下,若提高波特率,通讯距离必然减小。按照上面的公式,如果波特率达到5M,实际通讯距离为7m或者更短。所以一般只有板间通讯才会选择5M波特率,那么该选择多大的波特率呢?下面来说说CAN FD升级之后,波特率(位时间)与终端电阻对整个CAN FD网络的影响。rvI电子头条

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二、CAN FD波形分析rvI电子头条

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采样点和容忍度是评价CAN节点适应性的重要因素,容忍度表示波特率范围(位时间范围),位时间与波特率成倒数关系,波特率太大则位时间变小,在一定程度上会导致接收节点采样出错。下面以5M数据波特率来分析CAN FD的波形质量,下图为双120欧终端电阻情况下,5M数据域的波形,位时间200ns、幅值2V。rvI电子头条

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首先来看看在上述波形中稳定电平的时间,如下图可以看出稳定电平时间为140ns。也就是说上升沿加下降沿的时间总共为60ns,理想情况下,上升沿时间是30ns,按照边沿极限值12%计算,实际算出来的位时间=30/0.12=250ns,对应的传输波特率就=1/250ns=4M波特率。      rvI电子头条

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如果按照7%的边沿时间为安全值来计算,实际的位时间=30/0.07约等于420ns,相对应的传输波特率=1/420ns约等于2.3M。所以想要实际在工况下稳定可靠传输,数据端波特率在2M左右比较合理。rvI电子头条

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另外,CAN节点的电容会影响整个网络的电容,电容越大边沿越缓会导致位采样错误。下图分别是500pF电容引入后的下降沿——180ns和1000pF电容引入后的下降沿——260ns,而前面的实验中,CAN FD在5M数据波特率的情况下的位时间才200ns。rvI电子头条

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所以,CAN FD对于边沿非常敏感,CAN FD加速后,位宽度时间非常紧张,在实验中,5Mbps数据波特率,双120欧终端电阻情况下,加入500pF电容后即无法正常通讯,正常线缆电容在40-70pF/m,相当于加入10米线缆,肯定无法通讯。故在现有线缆条件下的网络升级,建议CAN FD数据段不提速,或者至多提高1倍,并且需要通过减小终端电阻加快放电速度的方法减小下降沿的影响,但是信号幅值会降低(牺牲幅值法),最多并5个120欧电阻,否则差分幅值将掉到不确定区域。CAN FD加入了回环延时补偿手段也无法解决下降沿的问题。rvI电子头条

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三、CAN FD的快速升级rvI电子头条

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• 需要使用支持CAN FD协议的MCU或控制器,还要选取新的网络调试和监测工具:CAN FD作为CAN2.0的升级,可以向下兼容CAN2.0标准,即CAN FD节点可以接收传统CAN节点的数据,但传统CAN节点则无法正确接收CAN FD报文。因此,既含有CAN FD节点,又含有传统CAN节点的总线上,只能使用传统格式的CAN报文。rvI电子头条

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• 需要支持更高的传输速率的收发器,若设计的CAN FD节点的最高速率5Mbit/s,则收发器的传输速率也必须达到此数值。ZLG致远电子推出的CAN FD隔离CAN收发器CTM5MFD、CTM3MFD,是CAN FD隔离应用的理想解决方案。rvI电子头条