CAN节点控制器回路设计

王瑞林 田江 苟斌

摘要：本文通过分析CAN节点控制器上作特性、电源需求、网络节点参数及造成CAN信号失真的因素，为避免回路干扰保证CAN信号准确传输，从电源分配，传输回路设计及接地三方面进行回路设计和方法总结，为后续车型CAN节点控制器回路设计提供指导。

关键词：CAN节点控制器;电源分配;回路设计;接地

CAN控制器是CAN局域网控制器的简称，为解决现代汽车中众多测量控制部件之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线。CAN（ Controller Area Network）控制器局域网络是在20世纪80年代初由德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的测控仪器之间的数据交换而设计的一种有效支持分布式实时控制的串行数据通信网络。1993年11月ISO正式颁布了CAN国际标准（ISO11898），它以半双工方式工作，采用基于数据的传输机制，通信介质可以是双绞线、同轴电缆，其通信速率可达1 Mh/s，最大传输距离可达10km。

这些优良的特性使CAN总线在汽车上得以广泛应用，CAN节点控制器的数量也越来越多，因此对整车的电气电路系统的性能、可靠性的要求也就更高。如何安全又合理地对CAN节点控制器进行可靠的回路设计，对于整车电气系统开发来讲，成为非常重要的一项工作。本文分三部分对CAN节点控制器的回路设计进行详细的分析和研究。

1 CAN节点控制器电源分配

1.1电源分配

CAN节点控制器为了保证能随时读取控制器的数据，检测车辆状态和排除故障，一般控制器都取B+电。同时为了满足控制器的其他需求，还额外要取ACC或者ICN电。CAN节点控制器在显性和隐性状态下的总线电压和差分电压应遵循ISO11898-2。总线电压VCAN_L和VCAN_H定义每个单独CAN节点的总线CAN_L和CAN_H相对于地的电压。差分电压（CAN总线）Vdiff，即双线CAN总线差分电压：Vdiff=VCAN_H-VCAN_L。

正常通信的ECU_T作电压范围见表1。同一网段中，供电不足的节点不允许影响正常节点之间的正常通信;处于睡眠状态的节点不允许影响网段中其它节点的正常通信。

1.2保险匹配

1.2.1保险丝的选型

保险丝的种类按照不同的分类方式可以分为很多种，通常按照熔断的速度亦即响应的速度可将保险丝分为快熔型和慢熔型。一般情况下，在通过超出容量一定数量的电流时，以较短时间熔断的保险丝称为快熔型的保险丝，常见的Mini、ATO等保险丝就属于快熔型保险丝的范畴;同样，在通过超出容量一定数量的电流时，以较长时间熔断，甚至不熔断的保险丝称为慢熔型的保险丝。常见的Jcase、BF1、Midi等保险丝就属于慢熔型保险丝的范畴。

这就需要依据保险丝的熔断特性来综合考量。根据CAN节点控制器是否关系行车安全，可以对保险丝进行初步选型;若CAN节点控制器关系行车安全例如EPS、ABS等，则需要选择慢熔型保险，避免保险快速熔断，影响行车安全;若CAN节点控制器仅控制一般功能，则需要根据匹配的保险丝容量来决定保险丝的选型。

1.2.2保险丝容量大小的选择

在初步定好保险丝的类型后，就要具体选择保险丝的容量了。简单的讲，保险丝的容量是根据负载的功率来定的，同时要结合保险丝的类型、中央电气盒的位置（高温区还是一般温区）和类型（硬线型还是PCB型）来给予一定的安全裕量，这个安全余量主要是考虑温度对保险丝的影响，因为环境温度的升高，会导致保险丝实际能够承载的电流下降。一般可以根据如下公式进行折减计算：If=In/RR式中：If为保险丝的理想值;In为正常工作的电流值;RR为温度折减系数。温度折减系数从55%～ 90%不等，主要是根据保险丝的类型（快熔还是慢熔）、中央电气盒的位置（高温区还是一般温度区）、中央电气盒的类型（PCB型还是普通硬线型）有关^[1]。

2 CAN线传输回路设计

2.1 CAN线技术参数

为保证CAN总线信号传输，其特征参数应满足表2要求，另外要求任何两个ECU之间的通信传输介质总电阻不超过4Ω（包含接插件和电缆）。CAN线的导线电阻应该≤95mΩ，/m（正常值为≤45m Ω/m），推荐导线芯截面积为0.35-0.75mm，绞线率为33-50twist/m。CAN总线电缆可以采用屏蔽双绞线或者非屏蔽双绞线，但是为了便于与接插件的连接，在连接部分可以有短于50mm（最好是25mm）的电缆不用双绞^[2]。

如果EMC性能不能够达到要求，推荐使用屏蔽双绞线。采用非屏蔽双绞线时，CAN_H对CAN_L的线间电容≤60pF/m;采用屏蔽双绞线时，CAN_H（或CAN_L）对屏蔽层的线间电容≤110pF/m。

2.2网络节点设置要求

通常一个整车网络会由数个网段组成，每个网段由若干网络节点组成，网络节点布置需要满足下列技术要求，如图1所示：

（1）为了减小驻波，各ECU距离干线的长度不能相等，同时应避免ECU在总线上等间距布置，即任何两个ECU之间d值不能相等;

（2）診断接口与引出接口的ECU距离不超过5m;

（3）诊断设备到诊断接口的距离不超过5m。

网络总线拓扑结构参数值见表3：

表3网络总线拓扑结构参数

在实际应用中，若传输介质采用屏蔽双绞线，对于HS-CAN网段，包含诊断设备在内，每个网段的节点数量不能超过16个;对于MS-CAN、LS-CAN网段，包含诊断设备在内，每个网段的节点数量不能超过32个。

若传输介质采用非屏蔽双绞线，每个网段的节点数量最大值为16个。

2.3 CAN线间抗干扰设计

CAN线上的干扰主要有导线的交叉串扰，串扰是由其线间的分布电容引起的，一条电缆上的脉冲信号通过分布电容耦合带另一条线上。车内各种电压高低不同、电流大小不等的线路距离较近或捆扎在一起，电路走向不合适或敏感部件的电路设计不合理等，都将产生干扰脉冲信号^[3]。

为保证CAN线通讯的正确，避免通讯中断和延迟，除了普遍采用双绞设计防干扰之外，还应采取以下措施避免线间串扰。

（1）为减少线间耦合作用，应注意在允许的空间范围内尽量加大信号线与其他线之间距离。应采取分散走线方式，尤其是弱电和强电的传输线一定要分开布置。

（2）应尽量缩短平行线的长度，增加线间距离。如能在信号间加布隔离地线，则效果会好些。

（3）对于设备内的CAN线，为了减少平行线的串扰，必要时增加印制条间距离。或在走线之问安插一根地线，作为线条间隔离。

3接地设计

3.1地电位偏移

导线自身存在一定电阻，当导线中流过的电流较大时且导线较长时，就会产生压降，形成电位偏移。尤其是当把电源地和信号地接在一起的话，地电位漂移就会较大，因为电源的电流相比信号的电流要大很多，甚至是大几个数量级，这样的电流流过导线会产生压降，也就导致地电位比真正的地电位要高。

实际中在CAN节点控制器ECU的标称工作电压下，如果ECU的地电位偏移≤±2V，则ECU应正常发送和接收报文。因此布置CAN节点控制器的接地应，应尽量将强、弱信号和大、小不同电流的搭铁线分隔布置，并且采取就近接地，避免地电位偏移量过大^[4]。

3.2地丢失

设计CAN节点控制器的接地时，要遵循原则：失去地的ECU不能影响其它ECU之间的通信。失去地后ECU不能损坏，在故障排除后，通信恢复正常。

为避免地信号丢失，再设计接地时应注意以下事项：

（1）对于CAN节点控制器，各控制器问接地不能共用，避免因单个ECU接地丢失，影响整个CAN网络上其他ECU通讯

（2）车架上各接地点之问地线互相连接，接地点直接通过螺栓、齿形垫片，安装到车架上;

（3）搭铁点位置优先选择在各主要的梁上，除非特殊的情况外，不允许使用支架搭铁，避免搭铁不良;

3.3接地间干扰

虽然整车电器件采用就近共用搭铁点的原则，但针对ECU、安全气囊、ABS等影响整车安全性的电器件，其地线易受其他零件工作时干扰，要求单独搭铁，避免受到地间干扰。

特别是针对ECU的信号地，该信号地一般为模拟信号或者能量较弱的数字信号，易受电源波动或者外界因素的干扰，导致信号的信噪比（ SNR）下降。信号的测量值产生误差或者错误，可能导致系统设计的失败。

因此对信号地的要求较高，也需要在系统中特殊处理，避免和大功率的电源地、数字地以及易产生干扰地线直接连接。尤其是微小信号的测量，信号地通常需要采取隔离技术，防止干扰信号通过搭铁线窜人各级，以降低电磁干扰和辐射。

如果采用屏蔽双绞线，在干线上应该找一点将屏蔽层用导线直接接地，该点所受干扰最小，同时该点位于网络中心附近^[5]。

4展望

随着CAN总线在汽车上应用越来越广泛，针对CAN节点控制器线束回路的设计也非常有必要，科学合理的设计CAN控制器回路包括电源分配，线间布置，接地设计能有效保证CAN信号的准确传输，完成CAN控制器功能的实现。

参考文献：

[1]邱伟，吁苗整车电源分配系统设计研究[J].北京汽车，2012，（1）：9-13.

[2]史久根，张培仁，陈真勇.CAN现场总线系统设计技术[M].北京：國防工业出版社，2004

[3]陈石东，陈宜东，陈文芗C，AN总线的信道分析与干扰防范[J].国外电子测量技术，2007，（1）： 35-38

[4]赵虎，杜蓉，李建克汽车线束回路搭铁线浅析[J].科研，2016，36： 177-178.

[5]杨龙山，王丽芳.屏蔽双绞线在车用CAN总线中的抗干扰能力研究[J].汽车技术，2006，（12）：9 -12.