CAN通信边沿缓慢导致通信错误原因分析与优化

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  _0 a0 |4 F! A- A3 E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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2 D  R) Z% z5 K/ B$ ]% m0 Q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。
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* h+ b* Y, B- z9 u. V% I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。

5 l9 Y' f, e; f+ F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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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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, o! ^( I! n% _. F6 X; K图1：差分波形边沿缓慢现象
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/ C( h9 k  U' p0 g. J* u1 [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
  w) c, ~( ^& V6 h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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% N& _- A; k8 `/ n1 X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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; \; ^7 V; u* ~& b  Y图2：差分波形边沿时间测量结果
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9 q0 l5 n* F+ y$ w- U* f" Y, R2 m原因排查
/ o- W( V  J1 M6 A8 [; ^9 }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。
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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。

' N0 R% M2 |# W* Y5 e7 h  Y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。
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根据电容充放电的时间常数公式：

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. h. F0 ~0 d4 N& B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。

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。
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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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优化措施与效果
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。
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* O! m/ [  g1 @) m$ n5 j3 t2 b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。

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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9 Q7 v" I* B- {4 x' f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

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 C+ |- N; [4 \3 W" d! bCAN网络边沿缓慢原因排查建议
) Z2 J& Z% D& {1 ^4 H; E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：

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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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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