汽车高速CAN线缆的传输特性研究

陈凡

（江门职业技术学院 机电技术系，广东 江门 529090）

汽车高速CAN线缆的传输特性研究

陈凡

（江门职业技术学院 机电技术系，广东 江门 529090）

目前对于汽车高速控制器局域网（CAN）线缆的传输特性认识存在一些问题，未能很好地解释高速CAN的某些工作特性与故障现象. 通过对高速CAN的工作环境与结构分析，建立了高速CAN线缆的传输模型，进行了相关计算验证，并应用新模型解释了高速CAN线路系统的故障现象.

控制器局域网；传输特性；双绞线

车载网络整合了大部分汽车电控系统，可以实现汽车各电控系统的信息共享和协同工作，在汽车上已得到广泛应用，车载网络常包含多种网络，控制器局域网（CAN）是当前主要使用的一种车载网络. 根据速率不同，又可分为高速CAN与低速CAN[1-2]，其他车载网络还有LIN、MOST、FlexRay等. 一个典型的车载网络中，动力、车身和信息娱乐系统使用不同的网络，并通过网关相连. 每个次级网络使用不同的协议. 其中高速CAN主要应用于汽车的动力与安全系统，包括发动机、变速器、ABS等，而低速CAN主要应用于汽车空调、车窗控制、仪表等. 高速CAN的传输速度大于125kb/s，通常为500kb/s，低速CAN的传输速度低于125kb/s，通常为100kb/s. CAN网络的常用传输介质为双绞线.

目前国内对于车载网络的研究集中于具体应用，相关基础研究较少，对车载网络故障的诊断也存在困难. 对于CAN总线的传输线缆，国内有过相关研究[3-5]，文献[3]使用纯电阻网络分析高速CAN总线，但忽略分布电感和分布电容，无法解释总线系统出现故障时高速CAN网络上的观测波形. 文献[5]采用基本传输线模型分析CAN总线，得出100kHz的信号仅能传递不超过20m，终端阻抗应等于双绞线阻抗，但该结论与汽车上实际使用的高速CAN特性参数有明显差异. 因此上述的一些CAN传输线缆模型未能很好地解释汽车高速CAN的工作特性，也不能说明高速CAN总线的故障现象. 故有必要对汽车高速CAN传输线缆的工作过程进行研究.

1 高速CAN线缆模型

高速CAN为多主网络，所有节点同为主从节点. 每段信息帧内，一个节点为主动，其他节点处于被动状态. 完整的高速CAN总线包括节点、传输线缆和终端电阻，如图1所示. 汽车各电控单元（ECU）通过控制器与收发器向双绞线发送信号，并接收双绞线上的信号. 传输信号在各项参数和工作环境处于最坏情况下仍能保持完整性是对CAN总线的首要要求. CAN总线除了使用尽可能低的时钟振荡频率外，还在双绞线上传输差分信号，以防止外界电磁干扰.

高速CAN网络中，传输速率越高，所需的时钟频率越高. 如CAN控制器SJA1000的传输速率最高为1Mb/s，时钟频率为24MHz. 此时钟频率下，传输线应为长线，即分布参数电路. 考虑到双绞线的两条线路同时发送信号，可认为两条线路均存在分布电感，两线路之间存在分布电容. 由于CAN系统线路长度一般较短，可忽略分布电阻和导纳，建立如图2所示的线路模型. 图中R1和R2为终端电阻，CAN模块内置收发器，既发送信号也接收信号. 图2即高速CAN网络的传输模型.

图1 高速CAN网络结构

图2 高速CAN传输模型

2 模型计算与分析

图3 等效电路图

当作为传输线考虑时，信号沿线路传递，线路上某处的信号既是时间函数，也是位置函数. CAN-H路和CAN-L路两路信号同时发射. 设距信号始端z处的CAN-H路电压和电流分别为UH(z)和IH(z)，经过dz段后电压和电流分别为UH(z)+dUH(z )和IH(z)+dIH(z)，同理可定义CAN-L路电压电流为UL(z)和IL(z). 取模型中的某一段如图3所示，定义顺时针为电压电流的方向.

根据基尔霍夫电压及电流定律可建立如下方程：

化简可得：

由于z为线路上距信号源的距离，则线路上距终端电阻z′=L-z处的电压、电流表达式可写为：

上述式中，z′表示入射波传输方向，-z′表示反射波传输方向，Ui0=A1eγL为CAN-H入射波电压的复振幅，Ur0=A2e-γL为CAN-H反射波电压的复振幅.

行波状态下，无反射波，此时终端电阻上（z′=0处）的电压和电流分别为：

由此可见，高速CAN网络使用两个终端电阻的目的并非是为了使其并联电阻值等于线路的阻抗，因此不能用其他阻值的终端电阻取代两个120Ω的终端电阻. 在高速CAN系统中，多个CAN模块分处线路的不同位置，为保证每个CAN模块在发送信息时均不出现反射波，需要两个终端电阻.

3 模型的应用

当某一终端电阻断路时，终端电阻两端电流为零. 根据式（9）和（10），可知Ui0=Uro，入射波电压等于反射波电压，信号发生全反射，线路上出现驻波，信号严重失真，与实际观察信号（图5）相符. 可见利用该模型能够很好地解释高速CAN的故障现象.

图4 短路后的信号

图5 断路后的信号

4 结束语

车载网络既要求较高的传输速率，也要求极高的可靠性，尤其对于动力系统而言. 高速CAN的信号传输过程体现了这一特点. 根据线缆特性模型和相关的实际故障波形分析，可以发现，汽车CAN总线传输速率的提高，需要更高的时钟频率，信号的传输方式将发生变化，应使用传输线模型解释高速CAN网络的工作过程. 且由于两条线路同时发送信号，在建立传输线模型时应认为两条线路上均存在分布电感. 通过对高速CAN传输线缆的研究，有助于CAN的设计应用和故障诊断，也可为研究更高传输速率的FlexRay提供参考.

[1] International Organization for Standardization. ISO11898-2, Road vehicles-controller area network (CAN)-part2：High-speed medium access unit [S]. Switzerland： Internationd Organization for Standardization, 2003.

[2] International Organization for Standardization. ISO11898-2006, Road vehicles-controller area network (CAN)-part3： Low-speed, fault tolerant, medium-depentent interface [S]. Switzerland： Internationd Organization for Standardization, 2006.

[3] 朱齐丹，汪瞳. CAN通信物理层建模与仿真[J]. 计算机工程与应用，2008, 44(36)： 11-15.

[4] 简义全，骆昌日，骆世广. 基于集总参数模型的CAN总线物理层的仿真[J]. 高等函授学报：自然科学版，2011, 24(4)： 9-12.

[5] 李晓瑜，郑德生，李司光，等. CAN信号在线缆中传输特性的研究[J]. 微电子学与计算机. 2009, 26(6)：230-235.

[6] 赵克玉，许福永. 微波原理与技术[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[7] GERKE T, SCHANZE C. Development and verification of in-vehicle networks in a virtual environment [R]. Detroit： SAE World Congress, 2005.

[责任编辑：韦 韬]

Research on the Transmission Characteristics of In-Vehicle High-Speed CAN Wires

CHEN Fan
(Department of Mechanical and Electrical Technology, Jiangmen Polytechnic College, Jiangmen 529090, China)

At present there are some problems in the understanding of the transmission features of in-vehicle high speed CAN lines whose working features and faults are not well explained. This paper establishes a transmission model of high-speed CAN based on an analysis of its working environment and structure, conducts related calculation verification and explains the faults with the new model.

controller area network; transmission characteristics; twisted pairs

TN913.3

A

1006-7302（2014）01-0036-04

2013-09-19

陈凡（1980—），男，湖北天门人，讲师，硕士，研究方向为汽车电子控制技术.