CAN通信边沿缓慢导致通信错误原因分析与优化

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以下通过一个实际案例对边沿缓慢现象的成因进行分析，并提供有效的排查与优化建议。
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- P' c% r6 s- x- [现场测试数据分析
图 1展示了通过ZPS-CANFD采集的现场CAN网络报文和波形数据。

% Y. _- O/ e* l  @7 J" l0 X+ C从报文数据可以看出，所有的帧均为错误帧，说明CAN网络出现了通信错误。

3 R+ |, N& H( ~6 `4 T结合波形数据观察，发现CAN差分信号的波形边沿十分缓慢，呈现出类似镰刀形状。
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' e2 [3 [6 R; R8 N2 c. l3 F这种缓慢的边沿形态，会影响CAN通信中显隐性电平的识别，进而导致通信错误的发生。
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图1：差分波形边沿缓慢现象

通过对该波形的分析，发现边沿的上升和下降时间都较长，且波形中不再呈现理想的快速上升和下降。
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边沿时间测量
2 i( k. n& i1 u5 z; L  H8 N% u通过ZPS的【总线边沿测量】功能，测量了该CAN差分波形的上升和下降时间。
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结果显示：
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上升时间约为300ns

下降时间约为600ns
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6 P2 ^  F& X$ m+ C* F( M图2：差分波形边沿时间测量结果
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原因排查
& h( g& c( j* e# y4 X; Z( p边沿缓慢的现象，通常与CAN总线差分电平的充放电过程密切相关。

我们知道，当CAN总线电平从低变高（上升沿）时，收发器的Q1、Q2导通，电容开始充电；当电平从高变低（下降沿）时，Q1、Q2断开，电容通过终端电阻放电。

. @4 z( R8 b6 I. [5 J! l  C5 @9 ?3 I由于电容的充放电需要一定的时间，电容值越大，充放电所需时间（即时间常数τ）越长，导致波形的上升和下降时间增加。

# b2 D: ^# \' p; p根据电容充放电的时间常数公式：
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当电阻值（R）固定时，电容（C）越大，时间常数τ值就越大，进而导致边沿缓慢的现象。

1 U( ^+ T; ]  b. Y6 v- S+ m" |通过对现场CAN网络节点电路的检查，发现收发器外围电路中存在TVS管、气体放电管等保护器件。

这些器件的结电容会影响总线的信号传输，尤其是当选用结电容较大的TVS管时（如电容值在几百到上千皮法范围内），会导致总线的电容增加，进而在高速通信时产生边沿缓慢的波形。

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图3：CAN总线充放电示意图

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图4：CAN节点电路
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! E. x/ t% i& m) f; P* N! z优化措施与效果
2 @! D. g' ~5 @1 c针对上述问题，优化措施是将CAN节点收发器外围电路中的TVS管去除。

/ Q$ n$ {5 E) C去除TVS管后，再次进行现场数据采集，观察到波形和边沿时间有了显著改善。
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具体表现为：
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CAN差分信号的上升时间从原来的300ns减少到30ns左右

CAN差分信号的下降时间从原来的600ns减少到40ns左右
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图5：优化后的CAN差分波形


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图6：优化后CAN差分波形边沿时间测量结果
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通过去除结电容较大的保护器件，CAN网络的边沿缓慢现象得到了有效的改善，通信稳定性也得到了显著提升。
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4 _/ S$ n6 U4 s/ B( x4 dCAN网络边沿缓慢原因排查建议
当CAN网络出现边沿过于缓慢的现象时，可以从以下几个方向进行排查和优化：
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检查CAN节点电路中的保护器件：确认是否存在等效电容较大的保护器件（如TVS管、气体放电管等）。选用结电容较小的保护器件，以减少对总线信号的影响。

检查节点电路中的电容：检查CAN节点电路是否存在过大的对地电容（如CAN对地电容、CANL对地、CANH对CANL的电容）。过大的电容会显著降低信号的边沿速度，影响通信的正常进行。

检查通信线缆的寄生电容：确保通信线缆的选择合理，避免选用寄生电容过大的线缆。电缆的长度和类型也会影响信号的传输质量。

优化总线布局：在设计CAN总线时，尽量避免长距离的连接，保持合理的总线长度和节点间距，以减少寄生电容的影响。
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; I7 S- u6 F  \: t' h3 a通过上述排查和优化措施，可以有效避免因边沿缓慢引起的CAN通信错误，确保系统的稳定性和可靠性。

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