摘要：本文通过对双线传输线信号反射的研究，阐述了电梯CAN总线阻抗匹配的基本方法及匹配条件；并分析了不同总线拓扑结构对CAN总线阻抗匹配的影响。本文对电梯CAN总线阻抗匹配、拓扑结构选择、终端电阻选型和CAN通讯故障诊断有一定的现实指导意义。
关键词：电梯 CAN总线 信号反射 阻抗匹配 拓扑结构
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）10-0092-03
1 简介
随着科技的进步，电梯更高的楼层和可靠性的要求，电梯通讯系统已经走入总线时代。CAN总线通讯使用灵活、可靠、安装方便，因而逐渐成为电梯通讯系统主要通讯方式。但CAN总线在实际应用中仍然存在大量的通讯故障，影响电梯正常通讯，甚至造成严重的后果。通过对CAN故障的分析，发现大部分CAN总线故障都是终端电阻失配、错配等引起的。因此，终端电阻的选用和配置也逐渐引起各方的关注。多大的终端电阻合适？终端电阻该放置在哪里？本文将对这些问题进行探讨。
2 电梯CAN总线使用情况
电梯通讯系统在过去几十年中已经从最初的并行通讯、RS485通讯发展到目前大量使用的CAN总线通讯。并行通讯即每个控制信号都需要单独占用一根线向电梯主控制器传输，随着电梯楼层数的增加，线缆数也随着成倍的增加。RS485总线通信通过命令、响应方式的通讯方式在主控制器和轿顶、操纵箱、外呼之间建立联系；电梯主控制器定时向各个位置控制器发出查询信号，再由各子控制器回发各自状态。RS485采用3根线来实现串行通信，虽然简化了现场布线，但存在灵活性、可靠性差等缺点，因而逐渐被CAN总线替代。CAN现场总线具备以下特点：（1）多主总线，各节点控制器均可在任意时刻主动向网络上的其它节点发送信息；（2）采用非破坏性总线仲裁技术，优先级高的节点优先传送数据，能满足实时性要求；（3）具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能；（4）CAN总线数据出错率极低，某一节点出现严重错误，可自动脱离总线，总线上的其它操作不受影响；（5）通信距离长，最远可达10km（5Kb/s），通信速率最高可达到1Mb/s（40m），节点数目实际可达110个；（6）CAN总线只有两根导线，直接将新节点挂接在总线上即可，安装方便。
目前CAN总线在电梯上主要有两方面的应用，其一为单台电梯通信控制系统，即单台电梯的轿厢、机房、各楼层等的通讯；其二为群控电梯通讯控制系统，即电梯之间的通讯。此外，部分电梯的远程监控系统也可使用CAN总线通讯。
3 信号反射与阻抗匹配
3.1 信号反射
根据传输线原理，当信号在传播中遇到阻抗不连续（如从传输线进入负载）即会产生反射波，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状，造成信号的缺失或失真，影响通讯质量甚至无法正常通讯。
双线的传输线方程：
（1）
式中：r，l，g，c分别为传输线单位长度的电阻、电感、电导和电容
V（z，t）和I（z，t）分别为z位置、t时刻的电压和电流
t，z分别为时间轴和位移轴
在无耗传输线中有r=g=0，代入式（1）并解耦得：
（2）
式（2）解的形式为：
（3）
式中：ZC是传输线的特性阻抗
v是信号在传输线上的传播速度
从式（3）中可以看出，传输线中的电压和电流都有两个分量，分量的位移z与时间t同向，为前向行波；中位移z与时间t反向，为后向行波，其中前向行波即为入射波，后向行波即为反射波。传输线上的反射特性通常用反射系数ΓL表示：
（4）
3.2 电梯CAN总线的阻抗匹配
通过式（4）来计算反射系数显然比较麻烦，我们也可以通过系统边界条件来计算反射系数。考虑信号从传输线介质进入负载介质的情形，如图1所示。在分界面电流、电压需保持连续，不可阶跃，因此有：
（5）
根据欧姆定律，有：
（6）
联立方程组（5）（6）得：
（7）
从式（7）中可以看出，当RL=ZC时，Γ=0，负载不产生反射信号。因此信号从传输线进入负载时不发生反射的条件是：负载电阻等于传输线特性阻抗，即RL=ZC，这种时候我们称之为阻抗匹配。
从上面的分析中可以看出，电梯CAN总线阻抗匹配的条件是电梯CAN总线上的负载电阻等于传输线的特性阻抗。CAN总线使用的双绞屏蔽线的特性阻抗为60Ω，一般CAN收发器的输入阻抗都高达20KΩ左右，远大于传输线的特性阻抗。因此，需在CAN总线间并入总值约为60Ω的电阻以实现阻抗的匹配。
3.3 CAN信号的短距离传输
考虑CAN通讯信号按图2方向传输，信号以速度v向z方向传播，传播距离L，信号上升沿斜率k，上升沿时间ts。在无阻抗匹配情况下，反射信号回到输出端的时延，单时延很小时，反射信号将被上升沿掩盖，不会对通讯造成影响。一般认为当信号时延小于ts的20%，信号的反射是可接受的，再考虑到CAN通讯实际上是CAN_H和CAN_L的差分，因此要求时延t<10%×ts，即。因此，在理想状态下，CAN通讯在无阻抗匹配时的最大通讯距离0
若取，，可以得出：
20m
在考虑线阻、阻抗不完全匹配等因素后，CAN通讯的实际许用长度将远小于Lmax，因此从电梯实际布线考虑，CAN总线端接终端电阻是必须的，在阻抗无法匹配的局部区域，包括临时性并入总线的诊断仪器等，应尽量控制线长。
阻抗匹配可以消除信号反射，但在实际应用中往往无法做到处处匹配，如节点与总线的连接部。从上面的分析可以看出信号的反射只要在我们可承受的范围就可以保证通讯正常，信号在局部短距离传输时就可以不接匹配电阻。
4 电梯CAN总线拓扑结构分析
4.1 网络拓扑结构简介
通讯系统网络拓扑结构一般有以下几种：
（1）星型拓扑：星型拓扑结构中一定要有一个主机，各分机通过点对点与主机相连，分机之间的通讯须通过主机转接。在这种拓扑结构中，单个分机的故障不会影响主机和其它分机之间的通讯。但由于分机之间的通讯都要通过主机才能完成，因此，一旦主机发生故障，网络通讯就无法正常工作，所以对主机的可靠性和容量要求很高；此外，每个分机都要通过点对点方式与主机连接，电缆使用量大。
（2）环型拓扑：环形拓扑结构中没有主机，在环型拓扑中，各节点通过点点之间的链路组成一个闭合环路。数据在链路上的传输是单方向的，每个节点从一条链路上接收数据，从另一条链路发送出去，数据沿一个方向在网上环行。环型拓扑的优点是，所需介质长度较短；缺点是，一个节点的故障会引起全网的故障。
（3）网型拓扑：网型拓扑的每个节点都有一条或几条链路同其他节点相连。节点之间存在多条路径传输数据，在传输数据时就可能选择较为空闲的通道或绕开故障点，因而网络资源可以得到充分的利用。单个节点或线路的故障对网络的影响较小，网络可靠性较高。但是它的结构复杂，成本高。
（4）总线型拓扑：总线型拓扑是多主通讯，每个节点都同时发送和接收数据。它采用单一总线作为传输介质，所有节点通过硬件驱动接口接至总线上，任何一个节点发送的数据，其它节点都能接收。数据按组发送，各节点收到数据后，经过地址识别，将符合的数据从总线中复制下来。总线拓扑的优点是，所需电缆长度短，布线容易。总线仅仅是一个传输信道，没有任何处理功能，工作的可靠性较高，扩展方便。缺点是系统范围受到限制。
（5）树型拓扑：树型拓扑是从总线拓扑演变而来的。从树根开始，每一个节点下都可以有多个分支。树型拓扑的许多特点与总线拓扑类似，但是它的故障比较容易隔离和检查。
4.2 CAN总线拓扑结构
CAN高速标准ISO11898采用总线结构作为网络拓扑，在总线的两端各接有一个终端电阻。然而，在实际情况中网络拓扑并非严格的总线结构，有些节点具有一定的支线长度。另外，在某些应用中，从EMC的角度考虑，对终端网络作一些调整效果可能会更好。下面简单介绍各种总线拓扑结构的特点：
（1）双终端总线。标准的双终端总线网络拓扑结构，在总线的两端分别接一个120Ω终端电阻，总线总阻值为60Ω。该拓扑结构接线简单，可靠性好，传输距离远，是目前电梯上最常用的总线拓扑结构。
（2）单终端总线。CAN总线匹配的最简单方法就是在总线上并一个60Ω的终端电阻。这种拓扑下，总线电阻为60Ω，阻抗匹配。但在这种拓扑结构中，很多节点实际上都不在总线而在支线上，其传输距离受限，这种拓扑结构的总线长度只有标准双终端总线接法总线长度的50%。
（3）分离总线。分离总线就是在双终端总线的基础上，将单个终端电阻分成两个阻值相同的电阻，在两电阻之间通过一个电容接地，如图3所示。可以看出，分离总线并不改变总线的DC特性。分离总线有两种接地方式：1）将两个终端均采用分离形式并单独接地。这种拓扑结构可以优化通讯的高频性能。但是，将两个终端电阻都接地以后，可能会通过地电流形成干扰性的回路电流。在这种情况下可以考虑2）只将一个终端电阻接地，这种接法则在中频到低频的范围内有更好的传输特性。这种总线结构接线复杂，一般只在特定情况下使用。
（4）多终端总线。在某些应用场合，如需要额外增加一个分支时，需要采用不同于总线结构的拓扑结构。这时候的拓扑结构就类似于星型拓扑结构，在这种情况下，可以采用多终端接法。多终端结构就是把终端电阻（60Ω）分成两个以上的电阻，总线上的电阻仍保证为60Ω。图4所示是3个分支的星形拓扑结构，在这种情况下，每个分支都可以看出一个终端，每个终端电阻180Ω。
在这种拓扑结构下，如果去除其中一个终端，总线上的的阻抗将不再完全匹配。但是，在短距离传输情况下仍可以正常使用。因此，这种拓扑情况下，CAN总线通讯距离将远小于双终端拓扑结构。
4.3 电梯CAN总线拓扑结构分析
图5是在电梯群控CAN总线中直接并入一个匹配电阻R1=60Ω的电路图，R1并入总线后，由于CAN收发器的阻抗远大于R1，因此，总线中的负载阻抗接近于60Ω，CAN总线达到阻抗匹配。但在这种拓扑结构中，假设A1向总线发送信号，电路中IrIm，匹配电阻右边部分（红色）实际上属于支路，并不在总线中，因此，当其长度>Lmax时，系统将无法正常通讯。进一步的，CAN通讯为多主总线，每个节点都同时发送和接收信号。因此，在这种拓扑结构下，匹配电阻两端的长度都必须小于Lmax，这将大大缩短CAN总线的最大传输距离。
因此，现有电梯CAN通讯中一般都选择在总线两端各并联一个120Ω的终端电阻，如图6所示。这这种拓扑结构中，总线总电阻也接近60Ω，总线阻抗匹配。各节点与总线的连接距离小，反射可以忽略。但仍应尽量减小节点到总线间的长度，其长度应小于Lmax。
在终端电阻的匹配中，终端电阻一定要放置在最远的两端，如果其中一个放在中间位置，结构如图7所示。在该拓扑结构中，终端电阻外面的CAN收发器A1处于支路上，这将大大增加该节点的信号反射，进而影响总线通讯。
应该注意，在上面的分析中，并没有考虑线阻和节点阻抗对总线电阻的影响，在实际应用中，可以根据线长和节点个数对终端电阻进行微调，使CAN总线的总阻值尽量接近于60Ω。
5 结语
本文通过对传输线信号反射、CAN总线结构等的分析，初步探讨了电梯CAN总线终端电阻配置的基本原理。CAN总线终端电阻的配置应遵循以下原则：
（1）终端电阻的配置应达到CAN总线的阻抗匹配，应使总线间的电阻等于传输线的特性阻抗。目前一般在CAN总线两端各加120Ω的电阻，如果要求更高的话，可以根据总线长度、节点数量对阻值进行微调，使总线间阻值尽量接近于60Ω；（2）两个终端电阻应等值配置于线路相距最远的两个节点处；（3）节点到总线间的距离应尽量短，具体容许长度受信号频率、线阻等因素的影响会有所不同。特别的，在外接诊断仪等临时性设备节点时，更应注意这点。
总之，电梯CAN通讯终端电阻的配置是必不可少的，加大或减小阻值都将造成通讯不稳定甚至无法正常通讯。终端电阻的位置应使CAN总线间的总阻值尽量接近于传输线特性阻抗，线路未匹配部分的长度尽量短。
参考文献
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