CAN总线远程传输可靠性的设计方法和实现

4 实验分析

4．1 不同公里数通讯结果分析

将系统总线与模拟的1公里一5公里远程网络相连。为了更好分析CAN总线可靠性，使示波器更好的观察报文波形。将示波器CHl两端与距主节点0公里处相连，CH2两端与距主节点5公里处相连，如图4所示。这样，可以观察到相对主机CAN节点5公里通讯的近端(CHl)和远端(CH2)的通讯报文波形。





CHl测试出来的波形位于上端，CH2测试的波形位于下端。CHl端标识为1的一段波形是主节点发出的报文，2是位于CH2端底层节点接收到的报文，4是底层节点发出的数据报文，3是主机CAN节点接收到的数据，称1和2、3和4为一组报文。每帧数据的最后一位是应答位。每两帧报文之间有时间间隙，其中一段是主机CAN节点和上位PC机处理数据的时间，另外一段是底层测量节点处理数据的时间。

经过观察，近端发送的1报文经过5公里距离到远端接收到的2报文的幅值发生了衰减；同样近端收到的3报文也在远端4报文的幅值基础上发生衰减。分别测试1公里到4公里通讯的波形图，可以发现通讯距离越长，幅值衰减得越多。

在其他条件不变的情况下，分别对1公里一5公里做实验，发现远程通讯距离的变化会对报文传输速率有影响但很小，将得出的数据制表如表1





由表1可见，1公里处传输速率最大，每秒传输13．2972I帧，即0．0752秒传输一帧数据，所谓一帧实际一次发送，一次接收，对于CAN总线实际是2帧。随着传输距离的增大，传输速率稍有减小的趋势，说明远程传输有一定的网络时延， 但是在低波特率下影响不大。

4．2 相同公里数不同测试点通讯结果

接下来以通讯5公里距离为例，观察将CHl两端连接到0公里处的测试点，CH2两端连接到1公里、2公里、3公里、4公里、5公里处的测试点，可以看到报文波形幅值发生了相应的变化。经过1公里的衰减，同一组报文幅值降低了约O．2V；2公里距离的通讯会造成同一组报文幅值上发生约0．4V的变化；同理3公里、4公里、5公里传输同一组报文分别发生了0．6V、0．8V和lV的幅值衰减。因此可以得出结论：同一组报文每经过l公里距离通讯，报文信号的幅值即发生0．2V的衰减。

4．3 CAN收发器SN65FIVD251工作电压的影响

在实验的过程中，观察到SN65HVD251工作电压VCC端的大小对于传输距离的影响很大，经过大量的实验，得出1-5公里距离成功通讯的VCC临界电压值(精确到O．1V)，所谓临界电压值是在确定距离内能正常传送数据的最小值。如表2所示。





从表中可以得出，保证l公里成功通讯的前提是VCC端电压大于等于3．6V。VCC端电压越高，可以通讯的距离越远，在1-5公里实验中，每增加1公里，VCC端电压相应提高了约0．3V。最高VCC不能高过SN65HVD251的最高工作电压7V。

远程通讯距离对于报文信号的幅值有比较大的影响，每公里约衰减O．2V；同时CAN收发器SN65HVD251的输入电压对于远程通讯距离有一定的影响，确保在电压正常范围内的高电压输入可以提高系统的远程通讯距离。电源电压每提高0．3V可延长1公里，而增加1公里损耗0．2V，余下的0．1V由驱动芯片内部所消耗了。

5 CAN总线远程控制网络的性能总结

CAN总线传输距离在驱动芯片工作电压和传送波特率确定之后，主要决定如下二个因素：(1) 发送端的应答位的隐性电压和接收端把隐形变成显性电平以后又传送到发送端时的电平差值；(2)发送端发的应答位到接收端被确认后又发回到发送端时该位相位变化。前者电平差值为0．6V，后者不能滞后每位的时间的一半。0．6V电平差比RS485、RS422识别“l”和“0”差值100mv要大很多。这也就是说同样传送条件下，RS485比CAN总线传送距离远。同样RS485、RS422因阈值过小，易受干扰。另外CAN总线其他性能优于RS485和RS422，如CRC硬化，可以多主通讯机构，以及多层已硬化的上层协议等。RS485的误码率10—7，CAN总线误码率可达2×10一ll。因此要提高远程传送可靠性可以采取如下方法：

(1)增加驱动芯片的工作电压。
(2)降低发送的波特率，减少相位滞后的影响。
(3)使用更粗双绞线，减小通讯导线电阻，从而减少传送损耗。
(4)用两个驱动芯片并联驱动，减少驱动芯片的内阻，提高驱动电流，即减少0．1V内部损耗。
(5)选用分布电容较小的双绞线，降低分布电容对同步位相位的影响。

总体来说， 本文设计的CAN总线控制系统无论从可靠性，还是从其他性能指标上来分析，都达到了很好的效果。并且在拉西瓦水电站边坡监测系统中承担数据采集通讯的任务。