《CAN硬件设计》课件

总线硬件设计CAN深入探讨总线硬件的设计原理和实现方法帮助您全面掌握总线硬件的CAN,CAN设计技术总线概述CAN定义特点工作机制总线是总线具有高可靠性、高实时性、高总线采用访问方式CANController AreaNetwork CAN CAN CSMA/CD+AMP一种多主机、多点控制的数字串行通信抗干扰性等优点,广泛应用于工业自动化,各节点设备共享总线资源,通过优先级总线系统,主要用于实现分散式控制系统、汽车电子等领域仲裁机制实现数据传输中各个控制单元之间的通信和数据交换总线的优点CAN高可靠性实时性强总线采用差分信号传输抗总线拥有优先级仲裁机制CAN,CAN,干扰能力强,通信可靠性高总确保高优先级消息能够及时传输线故障仅影响故障节点不会导满足实时性要求,,致整个系统瘫痪成本低廉兼容性强总线采用简单的总线拓扑结总线拥有统一的通信协议标CAN CAN构无需复杂的布线设计硬件成准各种设备之间可以进行,,,CAN本较低同时CAN控制器芯片价互联和数据交换格便宜易于集成,总线的应用领域CAN工业自动化汽车电子医疗设备总线广泛应用于工厂自动化、机器人控总线是汽车电子领域的主要通信总线之总线在医疗设备中用于连接和控制各种CAN CAN CAN制、数字仪表等领域提供实时、可靠的数一用于发动机控制、安全系统、车身电子传感器和执行机构确保设备的可靠性和实,,,据通信等应用时性硬件基本框架CAN通信控制器1负责通信协议的处理CAN收发器CAN2实现信号的驱动和接收CAN物理层接口3连接总线并满足电气特性CAN硬件的基本框架由三部分组成通信控制器、收发器和物理层接口通信控制器负责通信协议的处理收发器实现信CAN:CAN CAN,CAN CAN号的驱动和接收物理层接口则连接总线并满足电气特性要求这三部分协调工作共同实现总线的通信功能,CAN,CAN控制器芯片CAN集成功能全面性能稳定可靠低功耗设计丰富的软件支持控制器芯片集成了总控制器芯片采用先进的工控制器芯片设有多种低功主流控制器芯片厂商提供CAN CAN CAN CAN CAN线协议的核心功能包括信息艺技术具有抗干扰能力强、耗模式能够根据系统需求自配套的软件工具和驱动程序,,,,帧的发送和接收、仲裁和错误工作稳定可靠等特点,能满足动切换,有效降低整体功耗,延简化了开发和调试过程,提高处理等同时还具备广泛的外恶劣环境下的应用需求长系统使用寿命了设计效率围接口如定时器、中断控制,等收发器芯片CAN芯片核心功能收发器芯片负责管理总线的信号收发并与控制器芯片进行通信CAN CAN,CAN.与控制器的接口通过标准的总线接口与控制器进行数据传输CAN CAN.总线接入能力提供总线物理层的收发功能支持多个节点接入网络CAN,CAN.物理层CAN总线收发器差分信号传输物理层电路设计CAN收发器芯片是连接和总线的总线使用差分信号传输通过两根互补物理层电路设计需要注重差模噪声抑制CAN MCUCAN CAN,CAN关键接口负责将控制器的差分数字信的数据线和在总线上传输数、共模噪声抑制、设计等确保总,CAN CAN_H CAN_L EMC,CAN号转换为差分模拟信号,以实现数据在CAN据,比单端信号传输更加抗干扰线通信的可靠性和抗干扰性总线上的传输总线的拓扑结构CAN总线型拓扑CAN总线采用总线型拓扑,即采用单根通信线将所有节点连接起来,构成一个电气上连续的通信网络去中心化结构CAN总线是一种无主控设备的去中心化结构,消息传输由任意一个节点发起,不受任何节点的控制灵活扩展CAN总线节点可以任意增加或移除,总线拓扑结构不需要改变,具有很强的扩展性总线终端电阻终端电阻的作用终端电阻的值总线线上的信号波形会因为电缆线传输而产生反射从而造成信号总线的特性阻抗一般为因此终端电阻的值也应设置为,CAN120Ω,失真为了避免这种波形失真需要在总线两端各加一个与特性阻以确保最佳信号传输,120Ω,抗值相匹配的终端电阻吸收反射信号,总线阻抗匹配阻抗匹配的重要性特性阻抗计算为确保总线信号完整传输需总线的特性阻抗主要由电缆CAN,CAN要保证电缆两端阻抗与特性阻抗参数如电容、电感决定,可通过计匹配,避免由于阻抗不匹配导致的算得出最优阻抗值反射信号干扰两端终端电阻动态阻抗匹配在CAN总线的两端各加入与特性某些应用场景需要根据总线拓扑阻抗相等的终端电阻可以有效吸动态调整终端电阻以满足不同工,,收反射信号,改善信号质量作条件的阻抗匹配要求总线布线规划线路选择1选择合适的线缆材质和规格阻抗控制2保证线路特性阻抗匹配线路长度3控制信号传输的延迟时间走线布局4规划线路走向避免干扰耦合,总线布线规划是确保整个系统可靠通信的关键需要从线路选择、阻抗控制、长度限制和走线布局等多个方面进行细致规划确保信号完整传输CAN,,降低干扰耦合提高总线系统的抗干扰性能,控制器CAN集成功能强大控制器集成了总线协议栈、错误处理、收发等多种功能，简化了系统设计CAN CAN高速数据传输控制器支持高达的数据传输速率，满足高性能应用场景CAN1Mbps强大的诊断功能控制器提供错误检测、错误报告等诊断功能，有助于快速定位故障CAN芯片的选型CAN性能指标兼容性12选型时应综合考虑通信速率、选用与整体系统兼容的CAN芯可编程功能、内置缓存等性能片型号，确保与其他硬件和软指标，确保满足实际应用需求件无任何冲突封装尺寸成本因素34根据电路板尺寸和布局选择合在满足性能和兼容性前提下，适的封装尺寸，既要满足性能尽可能选择性价比较高的CAN又要考虑物理空间芯片型号芯片的特性CAN高速传输高可靠性高灵活性低功耗设计芯片支持高达的数芯片内置多种错误检测和芯片支持广泛的工作电压芯片针对移动设备应用进CAN1Mbps CAN CAN CAN据传输速率，满足高速实时控纠正机制，保证数据在恶劣环范围和丰富的通信协议，适用行了优化设计，具有低功耗特制的需求境下的可靠传输于各种工业应用性寄存器编程CAN步骤3编写CAN报文发送步骤1确定目标CAN控制器将待发送的数据写入发送缓冲寄存器,触发报文发送,实现主动发送CAN帧根据系统要求选择合适的CAN控制器芯片,了解其寄存器结构和功能123步骤2配置控制寄存器设置CAN通信速率、帧格式、中断使能等参数,确保正确的CAN总线通信收发器CAN收发器的主要功能收发器的工作模式收发器的集成电路CAN CAN CAN收发器主要负责将控制器输出的数收发器通常有两种工作模式常规模式收发器通常集成在一个芯片上包括差CAN CAN CAN:CAN,字信号转换成差分信号,并将差分信号传输和睡眠模式常规模式下收发器能够收发分驱动电路、差分接收电路、总线唤醒检测到总线上同时也负责接收总线上的差报文睡眠模式下可大幅降低功耗等功能模块实现总线的物理层信号收CAN CAN,,CAN分信号,并将其转换成数字信号输入CAN控发制器收发器的选型性能指标封装形式功能特性成本预算在选择收发器时应该考收发器有多种封装形式一些高级收发器具有睡眠在选型时还需考虑成本因素CAN,CAN,CAN,虑传输速率、共模抑制比、电如SOIC、TSSOP、SSOP等,需模式、热重启、集成隔离等特根据项目预算选择合适的收发源电压范围等性能指标,确保要根据电路布局和设计空间进性,可以简化电路设计并提升器型号满足实际应用需求行选择系统可靠性收发器的主要功能数据收发差分驱动CAN收发器负责将CAN控制器的收发器提供具有高驱动能力的差数字信号转换为差分模拟信号进分驱动电路能够在总线上传输数,,行总线上的数据收发据信号电气隔离温度补偿收发器集成了电气隔离电路有效收发器还具有温度补偿功能确保,,隔离了CAN控制器和总线之间的在不同温度条件下保持稳定的传电压差,增强了抗干扰性输特性收发器的工作模式待机模式收发器处于低功耗状态,仅监听总线电平变化当检测到发送请求时,自动切换到激活模式激活模式收发器进入正常工作状态,能够发送和接收CAN帧在数据传输完成后,自动切换回待机模式静默模式收发器处于高阻抗状态,不参与总线通信用于节点下线或总线诊断时的隔离物理层设计CAN差分传输1采用差分信号传输提高抗干扰能力CAN,共模噪声抑制2利用共模噪声抑制电路消除共模干扰,波形整形3通过波形整形确保信号质量与传输可靠性,物理层设计的核心目标是确保总线信号的高可靠性传输通过差分信号传输和共模噪声抑制电路可以有效抑制各类电磁干扰确CAN CAN,,保信号完整性同时还需进行波形整形确保信号质量提高传输可靠性,,,差分信号传输双线传输抗干扰能力强12总线采用差分信号传输即使用两根实芯线完成信号的传差分信号相比单端信号更加抗干扰不易受到外界电磁干扰的CAN,,输影响共模抑制电压水平稳定34差分信号可以有效抑制共模噪声提高信号传输的可靠性差分信号的电压水平比单端信号更加稳定不易受到电压波动,,影响差模噪声抑制隔离干扰源使用扭撚对线增加电磁屏蔽通过物理隔离和滤波等措施尽量减少噪声源扭撚对线可以有效抑制电磁干扰产生的差模在关键线路周围添加金属屏蔽层可以降低外与CAN总线的耦合噪声部电磁场的影响共模噪声抑制差分设计共模扼流采用差分信号传输能有效抑制共在信号线上串联共模扼流圈可以模噪声因为共模噪声会作用于两抑制高频共模噪声提高传输信号,,根信号线并被相互抵消的抗干扰能力屏蔽接地对信号线进行良好的屏蔽接地可以降低共模电流的通路从而减小共模噪声,抗干扰设计CAN电源滤波信号隔离电磁屏蔽在总线设计中采用多级电源滤波电路使用光耦或变压器等电路手段对控制器在线路布设时采用铝箔或铜箔对关键CAN,CANCAN,可以有效抑制电源线上的噪声干扰确保数和收发器与其它数字电路进行隔离可以有信号线进行全面屏蔽可以有效阻挡外部电,,,字电路及模拟电路的稳定工作效阻隔共模干扰的传播磁干扰对总线信号的影响电源滤波滤波的重要性滤波电路设计电源线上难免会产生各种噪声干扰如电源纹波、瞬态干扰等这会常用的滤波电路包括滤波、滤波、型滤波等需要根据具,,RC LCπ对总线的正常工作造成影响因此在硬件设计中电源滤体情况选择合适的滤波方式并计算出合适的元件参数以达到有效CAN,CAN,,,波是非常重要的一环滤波的目的信号隔离隔离通道防静电保护12使用绝缘变压器或光电耦合器在信号线路中加入静电保护芯将总线信号与控制器电路片可以抑制静电放电对总CAN,CAN隔离,防止干扰传导线的破坏模拟信号隔离电源隔离34对于模拟信号采集还需要使用电源部分也应该与总线电,CAN高精度的绝缘放大器进行信号路隔离,防止电源噪声干扰总线隔离和放大信号传输电磁屏蔽屏蔽原理屏蔽材料屏蔽设计电磁屏蔽是利用导电材料阻挡常见的电磁屏蔽材料包括金属电磁屏蔽设计需要考虑屏蔽材电磁场的穿透,从而减少电磁箔、金属网、金属粉末涂料等料的选择、屏蔽结构的设计、辐射的一种技术导电材料可这些材料具有良好的电磁波以及对焊接、密封等细节的控以吸收和反射电磁波形成一吸收和反射性能可以有效地制确保屏蔽效果达标,,,个屏障,降低电磁场对周围环隔离电磁干扰境的影响的测试CAN EMC辐射测试1检测系统在电磁环境下产生的辐射噪声CAN传导测试2测量系统电源线和信号线上的传导噪声CAN抗扰度测试3评估系统对外部电磁干扰的抗干扰能力CAN总线作为一种工业现场总线在恶劣的工业环境中工作必须具有良好的电磁兼容性测试包括辐射测试、传导测试和抗扰度CAN,,EMC EMC测试全面评估系统在电磁环境下的性能表现这些测试有助于发现并解决系统在方面的潜在问题,CANCANEMC辐射测试辐射测试评估设备在无线电频率环境下的电磁兼容性确保可靠工作,天线距离测试时设备和天线之间的距离能够影响辐射测试的结果电磁屏蔽使用电磁屏蔽室可以隔离环境噪声获得更加准确的测试结果,传导测试测量传导噪声评估电磁兼容性12传导测试通过直接将仪器连接这种测试可以帮助确定产品是到产品端子来测量噪声电压和否符合相关的电磁兼容标准,确电流,评估产品对电源线的污染保在实际应用中不会对其他设程度备造成干扰模拟现实环境优化电路设计34传导测试通常在实验室环境中通过分析测试结果,工程师可以进行可以更好地模拟产品在实优化电路布局和滤波电路降低,,际使用环境中的表现产品的传导干扰抗扰度测试环境抗扰性静电放电抗扰度测试设备在各种电磁环境下评估设备在静电放电冲击下CANCAN的抗扰性确保其能正常工作并不的可靠性确保其不会受到静电干,,受外界干扰影响扰而损坏或误动作浪涌抗扰度测试设备对瞬态过电压浪涌的抗扰能力确保其能防御来自电源或信号CAN,线的电压冲击硬件调试方法CAN系统诊断1采用专业的诊断工具对总线系统进行全面检查包括硬件连CAN,接、电气特性、信号质量等及时发现并解决问题协议分析2使用协议分析仪针对总线通信进行解码和分析检查数据帧CAN,的格式、时序等是否符合标准现场测试3在实际工作环境下对总线系统进行测试模拟各种干扰条件CAN,,检查系统抗干扰能力和稳定性硬件测试流程功能测试验证硬件各功能模块的正常运行情况对各种输入信号进行测试,确保输出符合预期要求性能测试评估硬件的性能指标,如响应速度、吞吐量、功耗等,确保满足设计规格环境测试模拟实际工作环境,测试硬件在温湿度、振动、电磁等条件下的稳定性和可靠性接口测试检查硬件与外部设备的连接是否正常,信号传输是否无误常见故障诊断总线故障排查信号波形分析专业诊断工具CAN通过逐步检查各个硬件部件如控制器、收利用示波器监测总线信号分析波形异使用专业的总线诊断仪可以检测总线,CAN,CAN,发器、布线等可以快速定位总线异常常可以快速定位故障点如电平失衡、端接状态、诊断故障代码、查看通信数据等提,CAN,,的症状和原因不当等问题高故障定位效率问题解决策略系统分析快速修复仔细分析问题的症状和影响找出及时采取紧急措施尽快解决当前,,根源问题所在问题,恢复系统正常运行制定计划持续优化根据问题原因制定详细的修复计在修复问题的同时持续优化系统,,划包括资源调配和时间安排设计预防类似问题再次发生,,总结关键要点硬件设计的核心就是正确选择控制器和收发器芯片并确保物理层的稳定CANCANCAN,可靠设计方法从系统级、电路级到布局设计各个层面采用多种有效的抗干扰措施是关键,调试验证设计完成后需要全面的测试和验证确保整个系统达到总线标准要求,CAN硬件设计要点CAN系统架构抗干扰能力可靠性设计可维护性硬件设计需要考虑整体系总线工作在恶劣的电磁环系统的可靠性是硬件设计硬件设计应便于测试和故CANCANCANCAN统架构包括控制器芯片、收境中需要采取电源滤波、信的重点需要考虑电路拓扑、障诊断并提供相应的监控指,,,,发器、物理层布线等各个模块号隔离、电磁屏蔽等措施,提终端电阻匹配、接地方案等因示和调试接口的协调配合高抗干扰能力素未来发展趋势人工智能与物联网电动汽车的广泛应用工厂自动化和工业互联网预计未来总线技术将与人工智能和物联随着电动车的普及总线技术在汽车行总线在工业自动化和工业互联网领域的CAN,CANCAN网深度融合实现更智能化的设备监测与控业的应用将进一步扩展实现车辆的智能化应用也将不断增加推动生产和管理的智能,,,制和高效管理化升级学习建议持续学习实践动手12技术日新月异需要时刻关通过实际动手设计及调试CAN,CAN注行业动态和新进展不断充实硬件电路巩固和应用所学知识,,,自己的知识体系提高实战能力寻求指导注重细节34积极向有经验的专家学习请教硬件设计需要关注诸多微,CAN疑难问题获取宝贵的经验和建小之处培养严谨认真的工作态,,议度非常重要。