电子工程师必学技能：选择与设计安全的CAN总线拓扑

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随着CAN总线的应用越来越广泛，工程师在面对各种不同工况下，如何选择合适的网络拓扑方式就变成了一个让人头疼的问题。这里介绍主流的几种总线拓扑方式，可以帮您完成快速了解进行选择。


一、直线型拓扑


图1   直线型拓扑

直线型拓扑也叫总线型拓扑，如图1所示，所有的节点都接到同一总线上，总线上任意节点发送信息，其他节点都能正常接收。

它的优势包括：
●  布线施工简单；
●  阻抗匹配固定规则（首尾各1个120欧电阻匹配）；
●  接线操作简单方便；
● 由于这些优势，在很多领域里都获得了广泛应用，可以满足大多数领域的应用要求，但是随着行业应用的扩展，逐渐发现了总线型拓扑的缺点，比如：
● 如果节点数较多，总线线缆变长，会影响总线传输；
● 支线长度不能过长。

二、星型拓扑


图2   星型拓扑

如图2所示，我们可以看到星型拓扑的特点就是每个分支都基本等长，在完全等长情况下，可不使用集线器设备，调整终端电阻即可实现组网（R=n×60欧姆；R:每个分支的终端电阻；n:分支数量）。如果各分支线路长度不同，就需要使用集线器对通讯进行控制，保证数据的稳定传输。

这种拓扑方式的优点是：
●  在进行节点扩展时较为方便；
●  可以缩减总线应用场景的使用面积。
●  然而这种拓扑方式的缺点也很明显，例如：
●  中央设备失败会导致网络瘫痪；
●  分支不等长时阻抗匹配复杂;
●  还需要增加集线器进行网络拓扑分割.

三、树状拓扑


图3   树状拓扑

树状拓扑的特点是分支较长并且长度不同，如图3所示，可以看到由于各支线长度不同阻抗匹配困难，常使用集线器和中继器进行分支。这些设备每路都具备独立的CAN控制器，所以可以将每段形成独立的直线拓扑，方便施工。

这种拓扑方式的优点是：
●  布线施工方便；
●  最大限度缩短布线距离。

然而这种拓扑方式的缺点也很明显，例如：
● 网络拓扑复杂，施工人员无法进行阻抗匹配；
●  须增加集线器或者中继器进行网络拓扑分割。


图4   树状拓扑应用

如图4所示，就是一个树状拓扑的应用模型，由于总体传输距离过长，所以每隔五公里左右就要加一个中继器，保证信号的传输质量，在各个子网节点通过CANbridge连接，子网中的各节点数据通过CANbridge进行收发与过滤，这样就完成了整体网络的组网。

四、环形拓扑


图5   环形拓扑

环形拓扑是将CAN总线首尾相接，形成环状，保证线缆任意位置断开，依然可以保证通讯。如图5所以，可以看到由于是环状结构，所以在终端电阻匹配方面采用分布式匹配方法，保证总体阻抗为60欧姆。

公式：R=120Ω，Rct1=Rct10=300Ω，Rct2~Rct9=5k

这种拓扑方式的优点是：在线缆任意位置断开后，总线依然可以通讯。
缺点为：断线后，信号反射严重，无法应用于高波特率和远距离场合。

五、总结


图6   拓扑方式总结

如图6所示是对于这四种主流的拓扑方式的总结，在选择网络布局时，可以根据不同拓扑方式的优缺点来进行取舍，快速完成选择。