can总线组网及线缆选择详解

在现代工业生产中，使用的通讯方式众多，目前常用的有CAN(Controller Area Network)、Ethernet(以太网)、RS-485、Fieldbus(现场总线)、Wireless(无线)等。这些通讯方式大部分都依赖于现场的总线网络，实际的项目和工程中选择合适的线缆非常重要。本文以CANopen为例，探讨一下应该如何选材构建物理层。

CANopen是一种基于CAN的高层协议，广泛应用于工业自动化领域。它的物理层和数据链路层遵循ISO11898系列标准。ISO1189系列标准其中定义了CAN物理层的电气特性、数据链路层的帧格式和协议。

对于接线来说，最好的CAN网络布线方式当然是总线型，总线型网络结构清晰，易于维护，且终端电阻阻值方便计算，能更好的作为成熟的工业产品进行应用。如果采用星型的接法，在布线接线的时候轻松写意，做起终端匹配就容易形成交叉，疲于计算。如果在组网的时候出现异常，那么可能会导致以下问题：

1. 接入的节点数少得可怜，甚至超过十几个节点就无法正常通讯；
2. 强干扰区域与弱干扰区域搅在一起，使得不稳定范围扩大到整个CAN总线网络；
3. CAN总线通讯距离急剧变短，本来理论上可以跑500米，实际上却不到100米；
4. CAN终端电阻的选择变得异常复杂，CAN总线波形失真严重；
5. 不时有节点掉线，无法通讯；
6. 所有节点的波特率必须一致，否则无法正常通讯

拓扑型总线的组网以下图为例，节点都均匀的挂在总线上，总线到节点的距离保持一致，一般都不会超过300mm。在总线的两端根据实际的个数和线材情况，匹配对应的终端电阻。 一般是两端加入120欧的电阻。 在不同的应用下可能还会应用到30-60欧等不同阻值的情况。

讲完了接线，下面对于线材的选择来说，也有一定要求。CANopen一般也是使用的高速CAN网络，因此在物理层的建立时应该遵循高速CAN网络的标准。ISO 11898-2 标准规定了 CAN物理层的技术规范，特别是针对高速 CAN 网络的线缆选择。以下是根据 ISO 11898-2 标准中关于线缆选择的关键参数和推荐值的详细说明

特性阻抗	导体直径	电缆类型	屏蔽类型	电缆最大长度	最大环路电感	最大分布电容	温度范围
标准值: 120 Ω 容差: ±10%	推荐范围: 0.2 mm² 至 0.5 mm² 典型值: 0.34 mm²	双绞线 : 最常用，有助于减少电磁干扰 (EMI)。 屏蔽电缆 : 如果网络环境中存在较高电磁干扰，则推荐使用屏蔽电缆。	屏蔽覆盖率: 100% 屏蔽材料: 铜编织或铝箔	40-1000m	最大值: 1 μH/m	最大值: 150 pF/m	操作温度: -40°C 至 +85°C

可以看到，推荐使用的就是我们平常说的屏蔽双绞线，至于导线规格，直径长短可以根据实际长度来匹配。以下是常规推荐波特率以及总线长度推荐

在相同的组网接线情况下，使用不规范的线缆对于网络来说，带来的影响也是不同的，最常见的就是，整体组网的终端电阻值匹配会变得不一样。 这样会让我们标准的工业产品，变成一个随时需要测试更换的半成品。 这里我们也做了一个对比测试使用不规范的线缆与标准电缆的对比实验。测试环境1M波特率，10个PMC007cx系列控制器。以同样的组网方式，采用同样的接线方法，使用不同规格阻值的线材。使用CAN分析仪抓取总线报文log，附上测试记录。

可以看到在不符合规格的电缆记录中，有大量的0x80+nodeid的紧急报文，定义当通讯质量存在问题时，会有这个报警，数量非常庞大已经影响到了总线的运行，很可能会出现丢包等情况，如果在实际项目中使用了这样的线缆，因为通讯问题引起了设备的运行故障，产生的后果实在无法估量。而标准线缆中，数据正常，循环地收发报文，也完全没有问题。

接下来使用标准电缆通过上位机软件来进行对设备的控制，进行进一步的测试。这个时候也监控到了报警的现象。经过排查发现，是加工线材的时候，连接器部分存在接触不良现象，从而导致了总线的故障。如此看来，并不是选取了符合标准的线材就万事大吉了。

相信经验丰富的工程师朋友们，也遇到过这样的问题，好不容易买到了合适的线材，但是加工的不规范，同样导致网络出现故障。为了解决这个烦恼，PMC007系列航插一体机新增了一进一出式的方案，可通过对插式的航插头直接接入总线，对插线材长度可定制，大大的简化了组网要求和应用环境的要求，更简单地实现手拉手组网，完成拓扑型网络结构。