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RoyalScope使用案例:解决波形台阶和信号幅值低的问题
Release Date : 2020-03-01 12:00
波形台阶和幅值低是影响总线信号质量的重要因素,这篇文章介绍了,如何使用使用超长时间数据和波形记录分析仪RoyalScope,查找到信号质量不合格的节点,并确认造成信号质量不合格的因素。
进一步栓释造成波形台阶和幅值低的原理,并给出解决方案。

一、 打开工程

台阶4.png

二、 质量度分析

    质量度平均值最低的节点是发送“ID=189”报文的CAN节点,如下图,可进一步查看“ID=189”节点质量度最低值对应的报文和波形。

台阶5.png

三、 问题分析

    1、眼图分析:幅值低、边沿台阶

台阶2.png

    2、波形分析:幅值低、边沿台阶

台阶6.png

 

台阶3.png

四、 解决“台阶”解决

    阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间达到一种适合的搭配,阻抗匹配主要为了调整负载功率和抑制信号反射。然而,阻抗不匹配的现象在CAN总线网络中随处可见;如下图所示,阻抗不匹配的将造成7个现象,其中最受关注的为上升沿和下降沿的台阶。

台阶1.png

图1:阻抗不匹配波形

    下文将针对边沿台阶的现象做详细介绍:

  • 解释边沿台阶是怎么出现的;
  • 边沿台阶如何消除;
  • 边沿台阶对总线有何影响。

    1、边沿台阶的源头

    在CAN总线的网络布局中,手牵手直线型拓扑是最理想最常规的布局;但是在实际现场中,经常会出现分支的现象。这里重点提一下,在计算CAN总线长度的时候,分支(从收发器端至总线)长度也要加上。

    为此我们做了分支过长的实验,实验中CAN总线中有三个CAN节点,主干线长度为15米,其中一个节点的分支长度为1米,波特率为250k的情况下进行通信。下图为实验的CAN波形图,明显可以看到上升沿和下降沿存在台阶现象,从而引起波特率变化,导致接收节点采样出错(也称位宽错误)。

7.jpg

    2、消除边沿台阶

    边沿台阶是造成错误波形的罪魁祸首,那么该如何消除边沿台阶的现象呢?下文将从源头以及补救措施上分别介绍一些可靠有效的方法。

    1)减少分支长度

    在CAN网络布局的根源上解决问题的方式就是减少CAN节点的分支长度,从而降低信号反射,保证位宽的稳定性。在上述实验中,其它条件不变,只将分支长度减少为20cm;下图为CAN波形图,此时并没有看到边沿台阶的出现。由此可见,减少分支长度是消除边沿台阶的最直接方式。

8.jpg

    2)长分支上加适当电阻

    在网络布局无法改变,分支引起的信号反射必须存在的情况下。最实用的方法就是在长分支末端加上电阻,消除信号反射。同样的在上述实验中,在分支节点处加上一个200Ω的电阻,其它条件不变进行通信实验。下图为实验的CAN波形图,此时可以看到边沿台阶已被消减,但是加了电阻之后差分电压变小,注意差分电压不得小于0。9V。这里值得一提的是:阻值大于500Ω的电阻吸收反射的能力很弱,所以在末端挂电阻的时候应小于500Ω。

9.jpg

    3)缩短残端

    前面提到分支长度指的是从节点收发器至总线处的距离,在节点设计之初,应选择TTL远传方式,因为TTL电平不受CAN电容影响,所以收发器应靠近接口摆放,以减少分支残段的长度,建议控制在10cm以内,可以保证阻抗连续。

    TTL远传最直接的方式就是将CAN收发器紧挨着CAN主干线放置,这样就没有分支长度。光缆星型拓扑结构便是使用这种方式,如下图;CAN光纤收发器内置在盒子里面,使用TTL电平远传到另一个CAN光纤收发器,解决了节点随意变化问题(节点任意上下电或插拔)。

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    4)消除负载集中

    在布局较复杂的CAN网络中,为了避免节点摆放集中导致反射叠加,建议相邻节点的距离不得小于2cm,10m的电缆上所集中的设备最好不要超过4个,否则应加电容以吸收,并且此集中与下一个集中至少有10m的电缆距离。

    同样,在复杂网络布局中,分支过长且不等的网络,由于阻抗匹配困难,常使用中继器进行分支;中继器有独立的控制器和MCU,将每段形成独立的直线拓扑。

    5)屏蔽层分段接地

屏蔽层多点接地需要注意接地点电位,避免地回流影响信号质量。若屏蔽层太长可以采用分段屏蔽,单点接地方法,就可以有效避免地回流的问题。

五、解决幅值低的问题

    CAN 总线上面的信号幅值是接收节点能正确识别逻辑信号的保证。一般来说差分电平(CANH-CANL)的幅值只有大于0。9V 才能被100%识别成显性电平,同理如果幅值低于0。9V 就有被识别出隐形电平的可能。

    下表中的0.5V~0.9V 是不确定区域,这个根据不同收发器而异,与温度也有关系。所以检查通讯中幅值最小的那个(那些)节点,是我们的进行问题排查的重要步骤。因为如果幅值过低容易导致时通时断等现象。

 

差分电平幅值

识别成的逻辑值

>0.9V

显性电平(0)

0。5~0。9V

不确定区域

不确定区域 <0.5V

隐形电平(1)

 

    为了保证通讯质量。考虑在温度变化、干扰等因素,我们通常要求现场调试CAN 的差分幅值通常都要求在1.3V 以上。所以我们可以通过RoyalScope的眼图分析找出幅值最小的亮线,保证在调整后,它处于1.3V 以上。

11.jpg

 

    为了提高幅值,我们有以下几种办法:

  • 使用线径更大的线缆,减小导线阻抗,需要强调的是CAN 通讯禁止使用网线和电话线,因为其阻抗极大,100 米就相当于1000 米的标准距离;
  • 调整终端电阻值,提高幅值。这个是1.5m㎡线缆的匹配值。
通讯距离(Km) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
终端电阻 120欧 120欧 160欧 220欧 240欧 270欧 300欧 330欧 360欧 390欧

   

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