CAN收發(fā)器工作原理

控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN, Controller Area Network）作為一種高可靠性的串行通信總線，自其誕生以來，便憑借其卓越的性能和強(qiáng)大的容錯(cuò)能力，在汽車電子、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備以及航空航天等諸多領(lǐng)域占據(jù)了舉足輕重的地位。而在這背后，默默支撐著CAN總線穩(wěn)定高效運(yùn)行的核心組件之一，便是CAN收發(fā)器。CAN收發(fā)器，顧名思義，是CAN控制器與物理總線之間的橋梁，負(fù)責(zé)將CAN控制器輸出的數(shù)字邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合在CAN總線上進(jìn)行傳輸?shù)牟罘蛛妷盒盘?hào)，同時(shí)也將總線上的差分電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為CAN控制器能夠識(shí)別的數(shù)字邏輯信號(hào)。其重要性不言而喻，它直接決定了CAN網(wǎng)絡(luò)的通信距離、抗干擾能力以及整體的可靠性。深入理解CAN收發(fā)器的工作原理，對(duì)于設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)CAN系統(tǒng)至關(guān)重要。

本文將從CAN總線的基本原理出發(fā)，逐步深入探討CAN收發(fā)器的核心功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵特性參數(shù)，以及其在實(shí)際應(yīng)用中的考量，旨在全面且詳盡地闡述CAN收發(fā)器的奧秘。

CAN總線概述

在深入CAN收發(fā)器之前，有必要簡要回顧一下CAN總線的基本特性。CAN總線最初由德國博世公司（Robert Bosch GmbH）于20世紀(jì)80年代為汽車工業(yè)開發(fā)，旨在解決汽車內(nèi)部ECU（電子控制單元）之間日益復(fù)雜的通信需求。它是一種多主總線系統(tǒng)，這意味著網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都可以在任何時(shí)候啟動(dòng)通信，而無需中央控制器。CAN總線采用差分信號(hào)傳輸，即通過兩根線（CAN-High和CAN-Low）之間的電壓差來表示數(shù)據(jù)。這種差分傳輸方式極大地提高了總線的抗電磁干擾能力，并允許更長的傳輸距離。

CAN總線的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精巧，包含仲裁場、數(shù)據(jù)場、CRC校驗(yàn)場等多個(gè)部分，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃浴Ｆ?strong>非破壞性仲裁機(jī)制是CAN總線的一大亮點(diǎn)：當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送消息時(shí)，仲裁過程會(huì)根據(jù)消息ID的優(yōu)先級(jí)來決定哪個(gè)消息獲得總線訪問權(quán)，而不會(huì)中斷低優(yōu)先級(jí)消息的發(fā)送，只是將其延遲。這種機(jī)制確保了實(shí)時(shí)性要求高的消息能夠及時(shí)傳輸。此外，CAN總線還具有強(qiáng)大的錯(cuò)誤檢測和錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制，包括循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）、位填充、位錯(cuò)誤、幀錯(cuò)誤、ACK錯(cuò)誤等，能夠有效發(fā)現(xiàn)和處理通信過程中出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤，保證數(shù)據(jù)的可靠性。CAN節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)機(jī)（錯(cuò)誤主動(dòng)、錯(cuò)誤被動(dòng)、總線關(guān)閉）也進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。

CAN總線有多種物理層標(biāo)準(zhǔn)，其中最常見的是高速CAN（ISO 11898-2）和低速容錯(cuò)CAN（ISO 11898-3）。高速CAN主要應(yīng)用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求高、數(shù)據(jù)量大的場景，如動(dòng)力總成和底盤控制系統(tǒng)，其傳輸速率最高可達(dá)1 Mbps。低速容錯(cuò)CAN則更注重容錯(cuò)能力，即使其中一根總線線纜斷裂，也能繼續(xù)通信，常用于車身電子系統(tǒng)，其傳輸速率相對(duì)較低，通常為125 Kbps。CAN收發(fā)器正是為了兼容這些不同的物理層標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的。

CAN收發(fā)器的核心功能

CAN收發(fā)器在CAN控制器與CAN總線之間扮演著至關(guān)重要的“翻譯官”角色。其核心功能可以概括為以下幾個(gè)方面：

1. 差分信號(hào)轉(zhuǎn)換

這是CAN收發(fā)器最基本也是最重要的功能。CAN控制器通常輸出的是單端的CMOS/TTL邏輯電平信號(hào)，例如，0V代表邏輯低，3.3V或5V代表邏輯高。然而，CAN總線需要的是差分信號(hào)來傳輸數(shù)據(jù)。CAN收發(fā)器負(fù)責(zé)將CAN控制器輸出的單端邏輯信號(hào)（TXD，Transmit Data）轉(zhuǎn)換為CAN總線所需的差分信號(hào)（CAN_H和CAN_L）。

當(dāng)CAN控制器輸出一個(gè)邏輯高電平（隱性位，Recessive）時(shí)，CAN收發(fā)器會(huì)驅(qū)動(dòng)CAN_H和CAN_L兩根線處于顯性電平。具體來說，CAN_H會(huì)被拉高至一個(gè)較高的電壓（例如2.5V到3.5V之間，取決于電源電壓和負(fù)載），CAN_L會(huì)被拉低至一個(gè)較低的電壓（例如1.5V到2.5V之間）。此時(shí)，CAN_H與CAN_L之間的電壓差約為2V。當(dāng)CAN控制器輸出一個(gè)邏輯低電平（顯性位，Dominant）時(shí)，CAN收發(fā)器則會(huì)驅(qū)動(dòng)CAN_H和CAN_L處于隱性電平。在這種狀態(tài)下，兩根線之間的電壓差趨近于0V，通常兩者都維持在總線空閑時(shí)的標(biāo)稱電壓（例如2.5V）。這種**顯性零（Dominant Zero）和隱性一（Recessive One）**的編碼方式是CAN總線的一個(gè)重要特點(diǎn)。

2. 總線驅(qū)動(dòng)與接收

CAN收發(fā)器需要具備足夠的驅(qū)動(dòng)能力來發(fā)送信號(hào)，并能夠可靠地接收總線上的信號(hào)。在發(fā)送模式下，它必須能夠提供足夠的電流來驅(qū)動(dòng)總線上的所有節(jié)點(diǎn)，并克服總線電纜的電阻和電容效應(yīng)，確保信號(hào)在總線上的正確傳播。在接收模式下，它必須能夠從總線上的微弱差分電壓信號(hào)中準(zhǔn)確地提取出數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換回CAN控制器能夠識(shí)別的單端邏輯信號(hào)（RXD，Receive Data）。

值得注意的是，CAN總線是一種**線與（Wired-AND）**邏輯，這意味著如果總線上有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送顯性電平（邏輯0），則整個(gè)總線都會(huì)被拉到顯性電平。只有當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都發(fā)送隱性電平（邏輯1）時(shí)，總線才處于隱性電平。CAN收發(fā)器在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了這一特性，能夠正確地實(shí)現(xiàn)線與邏輯。

3. 錯(cuò)誤檢測與保護(hù)

CAN收發(fā)器通常內(nèi)置了多種保護(hù)機(jī)制，以應(yīng)對(duì)總線上的各種異常情況，提高系統(tǒng)的魯棒性。這些保護(hù)功能包括：

• 過熱關(guān)斷保護(hù)（Thermal Shutdown Protection）：當(dāng)芯片內(nèi)部溫度過高時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉輸出驅(qū)動(dòng)器，防止芯片損壞。

• 總線短路保護(hù)（Bus Short-Circuit Protection）：當(dāng)CAN_H或CAN_L線發(fā)生短路（例如短路到GND或VCC）時(shí)，限制輸出電流，防止收發(fā)器損壞。

• 總線欠壓保護(hù)（Bus Undervoltage Protection）：監(jiān)測電源電壓，在電源電壓過低時(shí)采取措施，避免總線數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

• 總線過壓保護(hù)（Bus Overvoltage Protection）：當(dāng)總線電壓超過正常工作范圍時(shí)，保護(hù)芯片不受損壞。這對(duì)于汽車環(huán)境尤其重要，因?yàn)榭偩€可能會(huì)遭受瞬態(tài)高壓沖擊。

• 共模電壓范圍擴(kuò)展（Common Mode Voltage Range Extension）：CAN總線上的共模電壓可能由于地電位差或外部干擾而波動(dòng)。CAN收發(fā)器需要具備較寬的共模電壓范圍，以確保在惡劣環(huán)境下也能正常工作。高質(zhì)量的CAN收發(fā)器能夠承受-7V至+12V甚至更寬的共模電壓范圍。

4. 模式控制

許多CAN收發(fā)器提供不同的工作模式，以優(yōu)化功耗或?qū)崿F(xiàn)特定功能。常見的模式包括：

• 正常工作模式（Normal Mode）：收發(fā)器完全工作，可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

• 低功耗/待機(jī)模式（Low Power/Standby Mode）：收發(fā)器進(jìn)入低功耗狀態(tài)，大部分內(nèi)部電路關(guān)閉，以降低電流消耗。這在汽車應(yīng)用中非常重要，因?yàn)檐囕v熄火后，許多CAN節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

• 靜默/只聽模式（Silent/Listen-Only Mode）：收發(fā)器可以接收總線數(shù)據(jù)，但不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。這對(duì)于診斷工具或不希望影響總線通信的監(jiān)控設(shè)備非常有用。

這些模式通常通過一個(gè)專用的EN（使能）引腳或一個(gè)特定的低速CAN收發(fā)器中的INH（Inhibit）引腳來控制。

CAN收發(fā)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

盡管不同的CAN收發(fā)器型號(hào)和制造商在具體實(shí)現(xiàn)上可能有所差異，但其核心內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常包含以下幾個(gè)主要模塊：

1. 差分驅(qū)動(dòng)器（Differential Driver）

這是發(fā)送路徑的關(guān)鍵部分。差分驅(qū)動(dòng)器接收來自CAN控制器TXD引腳的單端邏輯信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為CAN_H和CAN_L引腳上的差分電壓信號(hào)。它通常由一對(duì)推挽式輸出級(jí)組成，分別控制CAN_H和CAN_L的電壓。

• 顯性態(tài)驅(qū)動(dòng)：當(dāng)TXD為低電平（表示顯性位）時(shí)，差分驅(qū)動(dòng)器會(huì)將CAN_H拉高，CAN_L拉低。這通常通過打開一個(gè)連接到VCC的PMOS管（對(duì)于CAN_H）和一個(gè)連接到GND的NMOS管（對(duì)于CAN_L）來實(shí)現(xiàn)，形成一個(gè)電流回路，產(chǎn)生較大的差分電壓。

• 隱性態(tài)驅(qū)動(dòng)：當(dāng)TXD為高電平（表示隱性位）時(shí)，差分驅(qū)動(dòng)器會(huì)使CAN_H和CAN_L都處于空閑狀態(tài)，或者通過內(nèi)部電阻將它們都偏置到VCC/2的電壓。此時(shí)，總線上的電壓差趨近于零。

為了確保信號(hào)的完整性，差分驅(qū)動(dòng)器還需要具備受控的上升和下降時(shí)間。過快的邊沿會(huì)導(dǎo)致電磁輻射增加和信號(hào)反射，而過慢的邊沿則會(huì)限制數(shù)據(jù)速率。因此，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部通常會(huì)包含限流電路和斜率控制電路。

2. 差分接收器（Differential Receiver）

這是接收路徑的核心。差分接收器從CAN_H和CAN_L引腳接收差分電壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為CAN控制器RXD引腳上的單端邏輯信號(hào)。

差分接收器通常是一個(gè)差分比較器。它比較CAN_H和CAN_L之間的電壓差。

• 當(dāng)VCAN_H?VCAN_L大于某個(gè)正的閾值電壓（例如0.9V）時(shí)，接收器判定為顯性位，并將RXD輸出為低電平。

• 當(dāng)VCAN_H?VCAN_L小于某個(gè)負(fù)的閾值電壓（例如-0.9V）或接近零時(shí)，接收器判定為隱性位，并將RXD輸出為高電平。

為了提高抗干擾能力，差分接收器通常具有一定的滯回（Hysteresis）特性，這意味著其開關(guān)閾值在上升和下降時(shí)不同，可以有效防止噪聲引起的錯(cuò)誤翻轉(zhuǎn)。此外，接收器還需要具備良好的共模抑制比（CMRR），以抑制總線上存在的共模噪聲，確保只對(duì)差分信號(hào)做出響應(yīng)。

3. 偏置與穩(wěn)壓電路（Bias and Regulator Circuits）

這些電路為收發(fā)器內(nèi)部的各個(gè)模塊提供穩(wěn)定的工作電壓和偏置電流。它們通常包括一個(gè)內(nèi)部穩(wěn)壓器，用于從外部電源VCC生成內(nèi)部所需的參考電壓，以及偏置網(wǎng)絡(luò)，確保CAN_H和CAN_L在空閑時(shí)（隱性態(tài)）能夠正確地偏置到VCC/2左右的共模電壓。這對(duì)于CAN總線的正常工作至關(guān)重要，因?yàn)榭偩€上的所有節(jié)點(diǎn)都需要參考一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的共模電壓。

4. 保護(hù)電路（Protection Circuits）

如前所述，CAN收發(fā)器需要應(yīng)對(duì)惡劣的電磁環(huán)境和潛在的故障。內(nèi)部保護(hù)電路包括：

• ESD保護(hù)二極管（ESD Protection Diodes）：在所有外部引腳上都集成了ESD保護(hù)二極管，以防止靜電放電對(duì)芯片造成損壞。

• 過流保護(hù)（Overcurrent Protection）：監(jiān)測輸出電流，當(dāng)電流超過安全限制時(shí)，自動(dòng)限制或關(guān)閉輸出，以防止短路造成的損壞。

• 過熱關(guān)斷邏輯（Thermal Shutdown Logic）：集成溫度傳感器，當(dāng)芯片溫度超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，觸發(fā)關(guān)斷機(jī)制。

• 欠壓鎖定（Undervoltage Lockout, UVLO）：當(dāng)電源電壓低于最低工作電壓時(shí)，禁用收發(fā)器功能，以防止在不穩(wěn)定電壓下進(jìn)行操作。

5. 模式控制邏輯（Mode Control Logic）

這部分電路負(fù)責(zé)管理收發(fā)器的工作模式。它通常通過監(jiān)測EN引腳或其他控制引腳的電平狀態(tài)來切換內(nèi)部電路的功能，例如啟用或禁用驅(qū)動(dòng)器、進(jìn)入低功耗模式等。對(duì)于具有喚醒功能的收發(fā)器，此邏輯還可能包含一個(gè)喚醒檢測電路，用于監(jiān)測總線上的活動(dòng)，并在檢測到特定信號(hào)模式時(shí)喚醒CAN控制器。

CAN收發(fā)器的關(guān)鍵特性參數(shù)

選擇合適的CAN收發(fā)器需要綜合考慮多個(gè)關(guān)鍵特性參數(shù)，這些參數(shù)直接影響到CAN網(wǎng)絡(luò)的性能、可靠性和成本。

1. 數(shù)據(jù)速率（Data Rate）

這是衡量CAN收發(fā)器傳輸速度能力的重要指標(biāo)，通常以Kbps或Mbps表示。高速CAN收發(fā)器支持高達(dá)1 Mbps的數(shù)據(jù)速率，而低速容錯(cuò)CAN收發(fā)器則通常在125 Kbps以下。選擇收發(fā)器時(shí)，必須確保其支持所需的最大數(shù)據(jù)速率。

2. 共模電壓范圍（Common Mode Voltage Range）

指CAN_H和CAN_L引腳上的共模電壓（(VCAN_H+VCAN_L)/2）可以在多大范圍內(nèi)變化，而收發(fā)器仍能正常工作。寬共模電壓范圍對(duì)于在噪聲環(huán)境或存在較大地電位差的系統(tǒng)中至關(guān)重要。典型的高速CAN收發(fā)器共模電壓范圍為-7V到+12V。

3. 差分輸出電壓（Differential Output Voltage）

指收發(fā)器在發(fā)送顯性位時(shí)，CAN_H和CAN_L之間的電壓差。這個(gè)差分電壓需要滿足CAN規(guī)范的要求（通常在1.5V到3V之間，取決于負(fù)載），以確保其他節(jié)點(diǎn)能夠正確接收信號(hào)。

4. 接收器輸入靈敏度（Receiver Input Sensitivity）

指接收器能夠正確識(shí)別的最小差分電壓。靈敏度越高，意味著收發(fā)器在信號(hào)衰減或噪聲較大的情況下也能更好地工作。

5. 環(huán)路延遲（Loop Delay）

指從TXD輸入端到RXD輸出端的總延遲時(shí)間。在高速CAN網(wǎng)絡(luò)中，較小的環(huán)路延遲有助于提高信號(hào)完整性和避免時(shí)序問題，尤其是在長總線和高數(shù)據(jù)速率下。

6. 功耗（Power Consumption）

特別是在汽車電子等對(duì)能耗敏感的應(yīng)用中，收發(fā)器的功耗是一個(gè)重要考量因素。低功耗模式下的電流消耗是衡量收發(fā)器節(jié)能性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

7. 靜電放電（ESD）保護(hù)

指收發(fā)器能夠承受的靜電放電電壓等級(jí)，通常以KV表示。符合ISO 7637-2和IEC 61000-4-2等標(biāo)準(zhǔn)的高ESD保護(hù)等級(jí)對(duì)于汽車和工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。

8. 溫度范圍（Temperature Range）

收發(fā)器能夠正常工作的環(huán)境溫度范圍。工業(yè)級(jí)收發(fā)器通常支持-40°C至+85°C，而汽車級(jí)收發(fā)器則可能支持更寬的溫度范圍，如-40°C至+125°C。

9. 失效安全（Fail-Safe）功能

一些CAN收發(fā)器具有額外的失效安全功能，例如：

• 無源性失效安全（Fail-Safe against Passive Bus）：當(dāng)CAN總線處于空閑狀態(tài)時(shí)（即沒有通信發(fā)生），RXD引腳保持在高電平。

• 總線斷路失效安全（Fail-Safe against Bus Disconnection）：當(dāng)CAN_H或CAN_L線斷裂時(shí)，收發(fā)器能夠確保RXD引腳保持在高電平，避免CAN控制器進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)。

• 總線短路失效安全（Fail-Safe against Bus Short-to-Ground/VCC）：當(dāng)總線短路到地或電源時(shí)，收發(fā)器能夠保護(hù)自身和總線不被損壞。

10. 喚醒能力（Wake-up Capability）

在低功耗模式下，一些CAN收發(fā)器可以監(jiān)測總線上的活動(dòng)，并在檢測到有效CAN信號(hào)時(shí)向CAN控制器發(fā)送一個(gè)喚醒中斷信號(hào)，使系統(tǒng)從睡眠狀態(tài)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。這對(duì)于電池供電系統(tǒng)非常重要。

11. 總線負(fù)載能力（Bus Load Capability）

指收發(fā)器在驅(qū)動(dòng)多大數(shù)量的節(jié)點(diǎn)或多長總線長度時(shí)仍能保持通信性能。這與收發(fā)器的驅(qū)動(dòng)電流能力和信號(hào)完整性有關(guān)。

高速CAN收發(fā)器與低速容錯(cuò)CAN收發(fā)器

雖然CAN收發(fā)器的基本原理相似，但高速CAN收發(fā)器（ISO 11898-2）和低速容錯(cuò)CAN收發(fā)器（ISO 11898-3）在設(shè)計(jì)和特性上存在顯著差異，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

高速CAN收發(fā)器（ISO 11898-2）

• 主要特點(diǎn)：

• 高數(shù)據(jù)速率：支持最高1 Mbps的通信速率。

• 兩根線工作：通常需要CAN_H和CAN_L兩根線都正常工作才能通信。

• 總線終端電阻：總線的兩端需要120歐姆的終端電阻，以消除信號(hào)反射，確保信號(hào)完整性。這是高速通信的關(guān)鍵。

• 差分信號(hào)擺幅：顯性態(tài)時(shí)，CAN_H和CAN_L之間通常有約2V的電壓差。隱性態(tài)時(shí)，電壓差接近0V，兩條線電壓都在2.5V左右。

• 應(yīng)用場景：動(dòng)力總成、底盤控制、車載娛樂系統(tǒng)等對(duì)實(shí)時(shí)性要求高、數(shù)據(jù)量大的汽車領(lǐng)域，以及工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人等。

• 工作原理細(xì)化：

• 發(fā)送顯性位：當(dāng)TXD為低時(shí)，CAN_H被驅(qū)動(dòng)到高于共模電壓（例如3.5V），CAN_L被驅(qū)動(dòng)到低于共模電壓（例如1.5V），形成約2V的差分電壓。

• 發(fā)送隱性位：當(dāng)TXD為高時(shí)，CAN_H和CAN_L都被驅(qū)動(dòng)到接近共模電壓（2.5V），差分電壓趨近于0V。此時(shí)，總線由終端電阻偏置。

• 接收：接收器監(jiān)測CAN_H和CAN_L之間的電壓差。如果差分電壓大于某一閾值（例如0.9V），則RXD輸出低（顯性）；如果小于另一閾值（例如0.5V），則RXD輸出高（隱性）。

• 失效安全：多數(shù)高速CAN收發(fā)器在總線斷開或短路時(shí)，RXD會(huì)輸出高電平（隱性），防止控制器誤認(rèn)為總線持續(xù)發(fā)送顯性位而進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)。

低速容錯(cuò)CAN收發(fā)器（ISO 11898-3）

• 主要特點(diǎn)：

• 低數(shù)據(jù)速率：通常最高125 Kbps。

• 單線工作能力：這是其最大的特點(diǎn)。即使CAN_H或CAN_L中的一根線斷裂，總線仍然可以通過另一根線（相對(duì)于地）進(jìn)行通信。這種能力犧牲了數(shù)據(jù)速率，但極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的容錯(cuò)性。

• 無終端電阻或分布式終端：與高速CAN不同，低速容錯(cuò)CAN通常不使用集中的120歐姆終端電阻。其終端方案可以是無終端、分布式終端（每個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)小的電阻）或內(nèi)部偏置電阻，以適應(yīng)單線工作模式。

• 更大的差分信號(hào)擺幅：為了在單線工作時(shí)也能保證信號(hào)的清晰度，低速容錯(cuò)CAN在顯性態(tài)時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生更大的差分電壓，例如CAN_H被驅(qū)動(dòng)到電源電壓，CAN_L被驅(qū)動(dòng)到地。在單線模式下，顯性信號(hào)可能通過單根線與地之間的電壓差來表示。

• 應(yīng)用場景：車身電子（如車窗、門鎖、座椅控制）、舒適性系統(tǒng)、診斷總線等對(duì)實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低但對(duì)可靠性要求極高的應(yīng)用。

• 工作原理細(xì)化：

• 發(fā)送顯性位：當(dāng)TXD為低時(shí)，CAN_H被驅(qū)動(dòng)到接近VCC，CAN_L被驅(qū)動(dòng)到接近GND。差分電壓接近于VCC。

• 發(fā)送隱性位：當(dāng)TXD為高時(shí)，CAN_H和CAN_L都處于高阻態(tài)，并通過內(nèi)部電阻拉到中間電壓，差分電壓接近0V。

• 單線模式：當(dāng)檢測到其中一根總線線纜斷開時(shí)，收發(fā)器會(huì)自動(dòng)切換到單線模式。例如，如果CAN_H斷開，它會(huì)通過CAN_L線（相對(duì)于地）來檢測顯性/隱性信號(hào)。此時(shí)，顯性信號(hào)可能表現(xiàn)為CAN_L被拉低到地，隱性信號(hào)則為CAN_L被拉到中間電壓。

• 喚醒功能：多數(shù)低速容錯(cuò)CAN收發(fā)器都內(nèi)置了強(qiáng)大的喚醒功能，可以通過總線上的顯性信號(hào)或特定喚醒模式來喚醒系統(tǒng)。

CAN收發(fā)器的應(yīng)用考量

在實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用CAN系統(tǒng)時(shí)，除了理解CAN收發(fā)器的基本原理和特性外，還需要考慮以下幾個(gè)方面，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1. 電源與接地

提供穩(wěn)定、干凈的電源是CAN收發(fā)器正常工作的基本前提。建議在VCC引腳附近放置旁路電容（通常為100nF），以濾除高頻噪聲，提供瞬態(tài)電流。良好的接地布局也至關(guān)重要，應(yīng)確保收發(fā)器的地與CAN控制器以及其他系統(tǒng)組件的地平面保持一致，以減小地電位差引起的共模噪聲。

2. 總線拓?fù)渑c終端電阻

CAN總線通常采用線性拓?fù)?/strong>（總線型），總線兩端需要正確的終端電阻。

• 高速CAN：兩端各一個(gè)120歐姆的終端電阻，形成并聯(lián)后的60歐姆總電阻。如果節(jié)點(diǎn)數(shù)量少或總線長度短，有時(shí)可以采用稍低的電阻，但標(biāo)準(zhǔn)是120歐姆。正確的終端電阻是保證信號(hào)完整性、消除反射、實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的關(guān)鍵。不正確的終端電阻會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射、波形失真，進(jìn)而引起通信錯(cuò)誤。

• 低速容錯(cuò)CAN：通常不需要集中的120歐姆終端電阻。有些收發(fā)器內(nèi)部集成了偏置電阻，或者總線可以采用分布式終端，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部包含一個(gè)小電阻，所有節(jié)點(diǎn)電阻并聯(lián)后提供總線偏置。

3. 節(jié)點(diǎn)連接與線纜選擇

CAN節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能地靠近主干總線，支線長度應(yīng)盡量短，以避免信號(hào)反射。CAN總線通常使用雙絞線（Twisted Pair Cable），即將CAN_H和CAN_L線纏繞在一起。雙絞線能夠有效抑制共模噪聲和電磁干擾，提高信號(hào)的抗干擾能力。線纜的阻抗應(yīng)與終端電阻匹配（標(biāo)稱120歐姆），以確保信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。

4. 噪聲抑制與EMC/EMI

CAN總線工作在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，尤其是汽車應(yīng)用。因此，需要采取措施來抑制噪聲和滿足電磁兼容性（EMC）和電磁干擾（EMI）標(biāo)準(zhǔn)。

• 共模扼流圈（Common Mode Choke）：在CAN_H和CAN_L線上串聯(lián)共模扼流圈可以有效抑制共模噪聲，提高抗干擾能力。

• 瞬態(tài)電壓抑制器（TVS, Transient Voltage Suppressor）：在CAN_H和CAN_L線與地之間并聯(lián)TVS二極管，可以保護(hù)收發(fā)器免受瞬態(tài)高壓（如負(fù)載突降、靜電放電）的沖擊。

• 良好接地：如前所述，確保所有節(jié)點(diǎn)的地平面一致且牢固連接，可以有效降低共模噪聲。

• PCB布局：在PCB設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意CAN信號(hào)線的布線，避免與其他高頻信號(hào)線并行，減少串?dāng)_。提供良好的地平面可以作為回流路徑，降低輻射。

5. 隔離（Isolation）

在某些特殊應(yīng)用場景下，例如工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備或不同系統(tǒng)之間存在較大地電位差時(shí)，可能需要對(duì)CAN總線進(jìn)行電氣隔離。隔離型CAN收發(fā)器通過集成光耦或電容隔離技術(shù)，將CAN總線側(cè)與控制器側(cè)的電氣連接完全斷開，從而防止地環(huán)流、共模噪聲和瞬態(tài)高壓從總線側(cè)傳導(dǎo)到控制器側(cè)，保護(hù)敏感的數(shù)字電路。隔離有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

6. 喚醒與低功耗管理

對(duì)于電池供電系統(tǒng)或要求低待機(jī)電流的應(yīng)用，合理利用CAN收發(fā)器的低功耗模式和喚醒功能至關(guān)重要。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮如何有效地使能和禁用收發(fā)器，以及如何配置CAN控制器以響應(yīng)收發(fā)器的喚醒信號(hào)。

7. 診斷與故障處理

CAN收發(fā)器通常會(huì)提供一些診斷功能，例如通過RXD信號(hào)的反饋或特定的狀態(tài)寄存器來指示總線狀態(tài)（如短路、過載）。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)利用這些診斷信息來監(jiān)測總線健康狀況，并在發(fā)生故障時(shí)及時(shí)采取糾正措施或通知用戶。CAN控制器內(nèi)部的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和狀態(tài)機(jī)也需要與收發(fā)器的工作狀態(tài)協(xié)同作用，共同管理總線的錯(cuò)誤。

8. 選擇合適的CAN收發(fā)器

市面上CAN收發(fā)器種類繁多，選擇時(shí)需根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行權(quán)衡。需要考慮的因素包括：

• 數(shù)據(jù)速率要求：高速或低速？

• 供電電壓：5V或3.3V？

• 功耗要求：是否需要低功耗模式？

• 溫度范圍：工業(yè)級(jí)、汽車級(jí)或其他？

• 保護(hù)功能：需要哪些過壓、過流、ESD保護(hù)？

• 特殊功能：是否需要喚醒功能、靜默模式、隔離等？

• 成本：在滿足性能要求的前提下，選擇最具性價(jià)比的方案。

未來發(fā)展趨勢

隨著汽車電子和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，CAN技術(shù)也在不斷演進(jìn)，CAN收發(fā)器作為其物理層核心，也隨之發(fā)展出新的特性和趨勢：

1. CAN FD（Flexible Data-rate CAN）收發(fā)器

CAN FD是CAN協(xié)議的演進(jìn)版本，允許在數(shù)據(jù)傳輸階段使用更高的數(shù)據(jù)速率（最高可達(dá)5 Mbps甚至更高）和更大的數(shù)據(jù)載荷（從8字節(jié)增加到64字節(jié)），同時(shí)保留了CAN的仲裁機(jī)制。CAN FD收發(fā)器需要支持更高的傳輸速率和更寬的共模電壓范圍，同時(shí)保持優(yōu)異的信號(hào)完整性。

2. CAN XL（CAN Extra Long）收發(fā)器

CAN XL是CAN協(xié)議的最新發(fā)展，旨在進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)速率（最高可達(dá)10 Mbps）和數(shù)據(jù)載荷，同時(shí)兼容現(xiàn)有CAN和CAN FD協(xié)議。CAN XL收發(fā)器將面臨更大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，包括超高速信號(hào)處理、更嚴(yán)格的EMC要求以及更復(fù)雜的保護(hù)機(jī)制。

3. 集成度更高

未來的CAN收發(fā)器可能會(huì)集成更多的功能，例如更高級(jí)的診斷和監(jiān)測能力、集成電源管理單元、甚至部分MAC層功能，從而進(jìn)一步簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并提高可靠性。

4. 更強(qiáng)的EMC性能

隨著電子系統(tǒng)密度的增加和工作頻率的提高，EMC問題變得更加突出。未來的CAN收發(fā)器將需要具備更強(qiáng)的抗干擾能力和更低的電磁輻射，以滿足日益嚴(yán)格的EMC法規(guī)。

5. 功能安全

在自動(dòng)駕駛和工業(yè)4.0等領(lǐng)域，功能安全（Functional Safety）變得越來越重要。CAN收發(fā)器作為關(guān)鍵通信組件，其設(shè)計(jì)將需要符合ISO 26262（汽車）和IEC 61508（工業(yè)）等功能安全標(biāo)準(zhǔn)，提供更完善的自診斷和故障處理能力。

6. 遠(yuǎn)程電源供電（Power over Data Line, PoDL）

盡管目前在CAN總線上并不普遍，但PoDL技術(shù)在以太網(wǎng)中已成熟應(yīng)用，允許通過數(shù)據(jù)線為設(shè)備供電。未來，這種趨勢可能也會(huì)影響到CAN總線，從而簡化線束和降低系統(tǒng)復(fù)雜性。

總結(jié)

CAN收發(fā)器是CAN總線通信不可或缺的核心組件，它在CAN控制器與物理總線之間架起了一座穩(wěn)固的橋梁。通過將數(shù)字邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分電壓信號(hào)，并提供強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)、接收、保護(hù)和模式控制功能，CAN收發(fā)器確保了CAN網(wǎng)絡(luò)在惡劣電磁環(huán)境下的高可靠性和穩(wěn)定性。

從高速CAN到低速容錯(cuò)CAN，不同類型的收發(fā)器針對(duì)特定的應(yīng)用場景進(jìn)行了優(yōu)化。深入理解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（差分驅(qū)動(dòng)器、接收器、保護(hù)電路等）和關(guān)鍵特性參數(shù)（數(shù)據(jù)速率、共模電壓、ESD保護(hù)等），對(duì)于CAN系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者和開發(fā)者來說至關(guān)重要。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，電源布局、總線拓?fù)洹⒔K端電阻、噪聲抑制以及隔離等方面的考量，都是構(gòu)建健壯CAN網(wǎng)絡(luò)的必要條件。

展望未來，隨著CAN FD、CAN XL等新一代CAN協(xié)議的推廣，CAN收發(fā)器將繼續(xù)朝著更高集成度、更高數(shù)據(jù)速率、更強(qiáng)EMC性能和更完善功能安全的方向發(fā)展，以滿足未來智能汽車、工業(yè)自動(dòng)化以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域不斷增長的通信需求。CAN收發(fā)器，這個(gè)看似簡單的芯片，其背后蘊(yùn)含著復(fù)雜的模擬和數(shù)字電路設(shè)計(jì)藝術(shù)，是確保現(xiàn)代電子系統(tǒng)高效、可靠互聯(lián)的關(guān)鍵力量。