CAN Bus 部署技術要點

CAN Bus（Controller Area Network）是一種廣泛應用於汽車及工業控制的通訊協議，以其高可靠性、低成本和實時性成為主流選擇。以下整理了 CAN Bus 的性能、阻抗、接點距離、標準、應用環境及相關技術要點，供汽車工程師和技術愛好者參考。

1. CAN Bus 概述與性能

  • 起源與標準化：
    • CAN Bus 由 Bosch 在 1980 年代開發，專為汽車環境設計，現已成為汽車行業的標準通訊協議，符合 ISO 11898 標準（包括高速 CAN 和低速 CAN 規範）。
    • 支援標準 CAN（11 位標識符，2^11 = 2048 個訊息 ID）和擴展 CAN（29 位標識符，約 5.37 億個訊息 ID），訊息數量幾乎無限制。
  • 頻寬與傳輸速率：
    • 標準 CAN 的最大傳輸速率為 1Mbps，足以應對傳統汽車控制系統（如引擎、剎車）的需求。
    • CAN FD（靈活資料速率）提升頻寬至 最高 8Mbps，並支援更大資料負載（最多 64 位元組/訊息），適用於現代車輛的高資料量需求。
  • 實時性和確定性：
    • CAN Bus 提供低延遲和確定性通訊，適合汽車關鍵系統（如引擎控制、ABS、剎車系統）。
    • 採用基於訊息 ID 的優先級仲裁機制（非破壞性仲裁），確保高優先級訊息優先傳輸，滿足實時需求。
  • 錯誤檢測與容錯：
    • 內建多重錯誤檢測機制，包括 CRC 檢查、位錯誤檢測、格式錯誤檢測和錯誤計數器。
    • 支援容錯功能，即使部分節點故障，網路仍可繼續運作，確保通訊穩定性。

2. 物理層特性與阻抗

  • 差分信號傳輸：
    • CAN Bus 使用雙絞線（CAN_H 和 CAN_L）進行差分信號傳輸，有效抵抗汽車環境中的電磁干擾（EMI）、振動和高溫影響。
    • 差分信號提供高抗噪能力，確保通訊穩定性。
  • 終端電阻：
    • 主匯流排兩端需配置 120 歐姆終端電阻，以防止訊號反射，確保訊號完整性。
    • 分支線（stub）無需終端電阻，但過長可能導致反射，影響通訊品質。
  • 匯流排負載：
    • 每個節點對匯流排產生電氣負載，節點數量過多可能導致電壓下降或訊號失真。
    • 典型 CAN 網路支援 30 至 110 個節點，具體取決於收發器性能（如 NXP TJA1042 支援最多 110 個節點）、線纜品質和匯流排長度。

3. 接點距離與佈線設計

  • 分支線（Stub）長度限制：
    • 分支線是從主匯流排到節點（ECU）的短線段，長度需控制以避免訊號反射。
    • 高速 CAN（ISO 11898-2）：建議分支線長度不超過 0.3 公尺（30 公分）。
    • 低速 CAN（ISO 11898-3）：可放寬至 1 公尺或更長，因傳輸速率較低（通常 ≤125kbps）。
    • CAN FD：因高資料速率（最高 8Mbps），分支線長度更嚴格，建議 0.1 至 0.3 公尺。
    • 過長分支線會導致訊號反射，引起電壓波形失真，可能造成位錯誤或通訊失敗。
  • 主匯流排長度限制：
    • 主匯流排長度與傳輸速率相關，典型值（高速 CAN）：
      • 1Mbps：約 40 公尺。
      • 500kbps：約 100 公尺。
      • 250kbps：約 250 公尺。
      • 125kbps：約 500 公尺。
    • 長度限制考慮訊號傳播延遲和衰減，確保通訊同步。
  • 佈線設計建議：
    • 使用高品質屏蔽雙絞線（符合 ISO 11898），減少電磁干擾。
    • 保持分支線盡可能短，理想情況下接近 0 公尺（直接連接到主匯流排）。
    • 避免星型拓撲或過長分支，若無法避免，需嚴格控制分支長度（<0.3 公尺）或使用中繼器。
    • 在設計階段使用模擬工具（如 SPICE）或 CAN 分析儀驗證訊號完整性。

4. 設備連接數量限制

  • 理論限制：
    • CAN 協議基於訊息 ID 通訊，理論上節點數量無硬性限制（標準 CAN 支援 2048 個訊息 ID，擴展 CAN 支援約 5.37 億個）。
  • 實際限制：
    • 受物理層限制（電氣負載、訊號衰減、延遲），單個匯流排通常支援 30 至 110 個節點。
    • 汽車應用中，單條匯流排通常連接 10 至 50 個 ECU（如引擎控制模組、剎車系統），高端車型可能使用多條匯流排（動力系統 CAN、車身 CAN 等），每條控制在 20 至 30 個節點。
  • 增加節點數量的方法：
    • CAN 閘道：互連多個 CAN 網路，降低單條匯流排負載。
    • 分段網路：使用橋接器或路由器將網路分成多個子匯流排。
    • CAN FD：提高頻寬和資料負載，間接支援更多節點。
    • 中繼器：增強訊號，支援更長匯流排或更多節點，但可能增加延遲。
    • 優化佈線：縮短分支線和主匯流排長度，使用高品質線纜。

5. 應用環境

  • 汽車應用：
    • CAN Bus 廣泛用於汽車的引擎控制、剎車系統（ABS）、變速箱、儀表板、車身控制（如車窗、車燈）等。
    • 典型汽車包含多條 CAN 匯流排，分別處理不同功能（如動力系統 CAN、診斷 CAN）。
    • 適用於低頻寬、控制導向的應用，資料量較小但要求高可靠性與實時性。
  • 其他應用：
    • 工業自動化（如工廠設備控制、機械人系統）。
    • 醫療設備、鐵路系統、航空電子等需要高可靠性和容錯能力的場景。
    • CANopen 和 DeviceNet 等衍生協議進一步擴展了 CAN 在工業領域的應用。
  • 環境適應性：
    • CAN Bus 能在惡劣環境下運作（如高溫、振動、電磁干擾），特別適合汽車和工業環境。
    • 低功耗設計，適用於電動車等對能效要求高的應用。

6. 技術優勢與挑戰

  • 優勢：
    • 高可靠性：差分信號和錯誤檢測機制確保穩定通訊。
    • 低成本：簡單的控制器和收發器，適合大規模量產。
    • 低功耗：滿足車載系統的能源效率需求。
    • 成熟生態系統：廣泛的硬體、軟體和工具支援，降低開發成本。
    • 靈活性：支援多主結構（multi-master），任何節點均可發起通訊。
  • 挑戰：
    • 頻寬限制：標準 CAN 的 1Mbps 頻寬在資料密集應用（如 ADAS）中可能不足，需依賴 CAN FD。
    • 節點數量限制：單條匯流排的節點數受電氣負載限制，需分段或使用閘道。
    • 佈線複雜性：分支線和匯流排長度需嚴格控制，設計不當可能導致訊號問題。

7. 結論

CAN Bus 憑藉其可靠性、實時性、低成本和低功耗，成為汽車和工業控制的理想通訊協議。其差分信號、終端電阻和嚴格的佈線要求（分支線 ≤0.3 公尺，主匯流排長度依速率而定）確保訊號完整性。雖然單條匯流排的節點數量受限（30-110 個），但通過閘道、分段網路和 CAN FD 可擴展應用範圍。CAN Bus 的成熟生態系統和標準化支援使其在汽車引擎控制、剎車系統等關鍵應用中不可或缺，同時也在工業和其他領域廣泛應用。

8. 參考文獻

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