线形拓扑网络CAN支线过长问题

CAN总线网络在应用时，工程师常常会建议总线支线不要太长，那么为什么CAN总线支线不能太长，如果某些环境下必须使用长支线又该怎么办呢？

CAN网络的拓扑种类

控制器局域网CAN（Controller Area Network），是国际上应用最广泛的现场总线之一，最初是由德国Bosch公司设计的，为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发一种串行通信协议。CAN网络的拓扑结构主要有线形拓扑、星形拓扑、树形拓扑和环形拓扑等。

线形结构如下图所示，其特点是一条主干总线，在总线上分出支线到各个节点，其优点在于布线施工简单，阻抗匹配规则固定，接线比较方便，缺点是拓扑不够灵活，在一定程度上影响通讯距离；

星形拓扑如下图所示，其特点是每个节点通过中央设备连到一起，优点是容易扩展，缺点是一旦中央设备出故障会导致总线集体故障，而且分支线长不同，阻抗匹配复杂，可能需要通过一些中继器或集线器进行扩展；

树形拓扑如下图所示，其特点是分支比较多，且分支长度不同，优点是布线方便，缺点是网络拓扑复杂，阻抗匹配困难，通讯中极易出现问题，必须加一些集线器设备；

环形拓扑如下图所示，其特点是将CAN总线头尾相连，形成环状，优势是线缆任意位置断开，总线都不会出现问题，缺点是信号反射严重，无法用于高波特率和远距离传输。

虽然CAN总线可以有多种网络拓扑，但在实际应用当中比较推荐使用线形拓扑，且在IOS-11898-2中有高速CAN物理层规范，其中推荐的CAN网络拓扑也是线形拓扑，下面就针对线形拓扑网络CAN支线过长问题进行分析。

支线过长带来的问题

在讲CAN支线之前，我们来看一个CAN的波形图，如下图所示，大家仔细查看CAN波形图，会发现CAN波形上存在明显的上升沿和下降沿台阶现象，因为台阶的存在，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）。

边沿台阶出现的源头主要是CAN节点的分支，分支过长形成的反射就变强，将会导致位宽度失调的错误。ISO11898中只规定1M波特率下分支不超过0.3米，支线过长会直接导致总线阻抗匹配问题发生，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，所以一旦阻抗匹配出现问题，就出现了上图中的上升沿和下降沿的台阶。

解决支线过长的办法

如果我们的总线存在支线过长的问题，那么该怎么办呢？我们下面提供几种解决方案：

1、减小分支长度

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。如上图波形实验中，其它条件不变，只将分支长度减少为20cm，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。

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。

3、增加CAN中继器或集线器

当然很多场合是在出现了问题之后才发现支线过长，当重新布线或更改节点本身都无法操作的情况下，我们也有解决方案，那就是在过长的支线上增加CAN中继器，典型的如致远电子CANBridge，甚至可以支持不同波特率的CAN网络的连接。