在現(xiàn)代工業(yè)和汽車領(lǐng)域，控制器局域網(wǎng)(CAN)總線作為一種可靠且高效的通信方式，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。在 CAN 總線系統(tǒng)中，有一個(gè)看似毫不起眼卻至關(guān)重要的元件 ——120Ω 終端電阻。這個(gè)小小的電阻，對(duì)于保障 CAN 總線的穩(wěn)定運(yùn)行和信號(hào)質(zhì)量起著不可或缺的作用。本文將深入探討 CAN 總線終端電阻的重要性及其背后的原理。

CAN 總線基礎(chǔ)概述

CAN 總線采用差分信號(hào)傳輸，通過(guò) CAN_H 和 CAN_L 兩根線之間的電壓差來(lái)表示信號(hào)狀態(tài)。在這種通信方式下，CAN 總線具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng) CAN_H 的電壓高于 CAN_L 時(shí)，代表邏輯 “0”，稱為顯性狀態(tài);當(dāng) CAN_H 和 CAN_L 的電壓相等或接近時(shí)，代表邏輯 “1”，稱為隱性狀態(tài)。這種差分信號(hào)傳輸方式有效地減少了共模干擾的影響，提高了通信的可靠性。

終端電阻的關(guān)鍵作用

提高抗干擾能力

在 CAN 總線處于隱性狀態(tài)時(shí)，總線的差分電阻阻值很大，此時(shí)外部干擾只需極小的能量就可能使總線進(jìn)入顯性狀態(tài)。例如，一般的 CAN 收發(fā)器顯性門限最小電壓僅為 500mV，這意味著微小的干擾電壓就足以影響總線狀態(tài)。如果沒有終端電阻，這些干擾信號(hào)產(chǎn)生的波動(dòng)將無(wú)法被吸收，可能導(dǎo)致總線上出現(xiàn)錯(cuò)誤的顯性位，從而干擾正常通信。而在總線上增加一個(gè)差分負(fù)載電阻(如 120Ω 終端電阻)，可以有效降低噪聲能量的影響，提升總線隱性時(shí)的抗干擾能力。不過(guò)，為了避免進(jìn)入顯性狀態(tài)時(shí)需要過(guò)大電流，電阻值也不能過(guò)小。

確保總線快速進(jìn)入隱性狀態(tài)

在 CAN 總線通信過(guò)程中，當(dāng)信號(hào)從顯性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡[性狀態(tài)時(shí)，總線的寄生電容需要放電。如果 CAN_H 和 CAN_L 之間沒有放置阻性負(fù)載，電容只能通過(guò)收發(fā)器內(nèi)部的差分電阻放電，由于這個(gè)阻抗較大，根據(jù) RC 濾波電路的特性，放電時(shí)間會(huì)明顯變長(zhǎng)。例如，在一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)中，加入一個(gè) 220pF 的電容，位速率為 500kbit/s 時(shí)，從顯性恢復(fù)到隱性的時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 1.44μs。這樣長(zhǎng)的放電時(shí)間在通信速率較高或寄生電容較大的情況下，會(huì)嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，甚至導(dǎo)致通信錯(cuò)誤。而在 CAN_H 和 CAN_L 之間放置一個(gè)合適的負(fù)載電阻(如 120Ω)，可以大大縮短放電時(shí)間。實(shí)驗(yàn)表明，增加一個(gè) 60Ω 的電阻后，顯性恢復(fù)到隱性的時(shí)間縮減到 128ns，與顯性建立時(shí)間相當(dāng)，確保了總線能夠快速進(jìn)入隱性狀態(tài)，提高了通信效率。

提高信號(hào)質(zhì)量

在高速信號(hào)傳輸中，當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率較高時(shí)，信號(hào)邊沿能量遇到阻抗不匹配就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射。傳輸線纜的橫截面幾何結(jié)構(gòu)變化、不同材質(zhì)的導(dǎo)線連接等情況，都會(huì)導(dǎo)致線纜的特征阻抗發(fā)生變化，從而引發(fā)信號(hào)反射。在總線線纜的末端，由于阻抗急劇變化，信號(hào)邊沿能量反射尤為明顯，這會(huì)在總線信號(hào)上產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。若振鈴幅度過(guò)大，就會(huì)嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，導(dǎo)致接收端無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別信號(hào)，出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。而在線纜末端增加一個(gè)與線纜特征阻抗一致的終端電阻，能夠有效地吸收這部分反射能量，避免振鈴的產(chǎn)生。例如，在一個(gè)位速率為 1Mbit/s 的模擬試驗(yàn)中，收發(fā)器 CAN_H、CAN_L 接一根 10m 左右的雙絞線，收發(fā)器端接 120Ω 電阻保證隱性轉(zhuǎn)換時(shí)間，當(dāng)末端不加負(fù)載時(shí)，信號(hào)上升沿出現(xiàn)了明顯振鈴;而在雙絞線末端增加一個(gè) 120Ω 的電阻后，末端信號(hào)波形明顯改善，振鈴消失。

為何選擇 120Ω

CAN 總線標(biāo)準(zhǔn)推薦的終端電阻阻值為 120Ω，這并非隨意確定，而是經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證得出的。任何一根線纜的特征阻抗都可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到。具體做法是，在線纜的一端接上方波發(fā)生器，另一端接一個(gè)可調(diào)電阻，并通過(guò)示波器觀察電阻上的波形。然后調(diào)整電阻阻值，直到電阻上的信號(hào)呈現(xiàn)出良好的無(wú)振鈴的方波，此時(shí)的電阻值就可以認(rèn)為與線纜的特征阻抗一致。對(duì)于汽車使用的典型線纜，將它們扭制成雙絞線后，通過(guò)上述方法測(cè)得的特征阻抗大約為 120Ω。在 ISO 11898 - 2 標(biāo)準(zhǔn)中，也對(duì) CAN 總線的特征阻抗及終端電阻阻值做出了相應(yīng)定義。所以說(shuō)，120Ω 的終端電阻阻值是與 CAN 總線常用線纜的特征阻抗相匹配的，能夠最大程度地減少信號(hào)反射，確保信號(hào)在傳輸過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性。

實(shí)際應(yīng)用中的考慮

在實(shí)際的 CAN 總線應(yīng)用中，布線結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜，并非理想的直線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，很多時(shí)候是總線型和星型的混合結(jié)構(gòu)。即便如此，為了盡量模擬 CAN 總線的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，通常還是將 CAN 終端電阻布置在線束最遠(yuǎn)的兩端。這樣做可以在一定程度上彌補(bǔ)布線結(jié)構(gòu)不理想帶來(lái)的信號(hào)傳輸問(wèn)題，減少信號(hào)反射和干擾，保證通信的穩(wěn)定性。此外，在進(jìn)行 CAN 總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)，還需要考慮終端電阻的功率選擇。例如，汽車 ECU 的所有接口都需要考慮短路到電源和短路到地的情況，當(dāng) CAN 總線節(jié)點(diǎn)短路到電源(標(biāo)準(zhǔn)要求考慮短路到 18V 的情況)時(shí)，電流會(huì)通過(guò)終端電阻流到 CAN_L 上。假設(shè) CANL 內(nèi)部由于限流原因，最大注入電流為 50mA(如 TJA1145 的規(guī)格書上標(biāo)注)，根據(jù)功率計(jì)算公式 P = I2R，此時(shí) 120Ω 電阻的功率為 50mA×50mA×120Ω = 0.3W。考慮到高溫情況下的降額，終端電阻的功率一般選擇 0.5W。

CAN 總線終端電阻雖然只是一個(gè)小小的元件，但其在提高抗干擾能力、確保總線快速進(jìn)入隱性狀態(tài)以及提升信號(hào)質(zhì)量等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。合理選擇和布置 120Ω 的終端電阻，是保證 CAN 總線系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的重要前提。無(wú)論是在汽車電子控制系統(tǒng)，還是工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，對(duì) CAN 總線終端電阻的正確理解和應(yīng)用都不容忽視。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，相信 CAN 總線系統(tǒng)在終端電阻等關(guān)鍵元件的協(xié)同作用下，將為更多領(lǐng)域的高效、穩(wěn)定通信提供堅(jiān)實(shí)保障。