A CAN-buszos rendszereket sok esetben számos, egymáshoz fizikailag közel elhelyezett csomóponttal építik fel. Ha ezeket a csomópontokból álló gócokat a busz többi csomópontjától távol helyezik el, véletlenszerű adathibák felbukkanására lehet számítani. Az ún. "üzenetprioritási sorrendcsere" hibája azt okozza, hogy egy nagy prioritású üzenet alacsony prioritási besorolást kap az arbitráció1 után

Továbbá, a csomópontok egymáshoz képest történő, egyenetlen távolságban elhelyezése a CAN-üzenetek nyugtázását is összezavarhatja, és amennyiben egy üzenet nyugtázása, a szabványban definiált módon a reflektált hullámok okozta zavarok miatt nem történik meg, minden alkalommal hibajelentés készül egészen addig, amíg a CAN-protokollban beállított hibahatárt a rendszer el nem éri. Ez esetben a kontroller a hibahatár elérése után inaktív buszos állapotba helyezi magát, így elkerülhető, hogy egyetlen csomópont megbénítsa a teljes CAN-buszt. Ezeket a hibákat megtalálni még egy képzett mérnök számára sem egyszerű, és különösen nem gyorsan teljesíthető feladat. A cikkünk által tárgyalt probléma tehát nem más, mint a jelenség, amely akkor jelentkezik a CAN-buszon, ha több, mint egy csomóponttól egy időben több domináns bit is rákerül a buszra, arbitráció vagy nyugtázás folyamán.

Csomópontok közötti minimális távolság a CAN-buszon
Az ISO 11898-2:2003 CAN-busz egy elosztott paraméteres áramköri rendszer, amelynek elektromos jellemzőit elsősorban a fizikai médium elosztott induktivitása és kapacitása² határozza meg. (Fizikai médium alatt a buszra csatlakoztatott kábeleket, jel­utakat, csatlakozókat, lezárókat és CAN-adóvevőket értjük.)
Elemzésünkben megvizsgáljuk a csomóponti kapacitás mennyisége/mértéke és a csomópontok egymáshoz képest mért fizikai távolsága közötti függést, amely a buszon lehetséges a jelintegritás feláldozása nélkül. Egy terheletlen, tetszőleges végpontú CAN-busz karakterisztikus impedanciájára a Z = √L/C összefüggés igaz, amelynél L az egységnyi hosszra eső induktivitás, C pedig az egységnyi hosszra eső kapacitás. Ha az eszközök és csatlakozóik formájában a buszra további kapacitás kerül, a busz impedanciája egy Z' értékre módosul (csökken). Ha a buszimpedancia csökken, impedancia-illesztetlenség áll fenn a busz terhelt és terheletlen részei között.

A legrosszabb esetet az jelenti, amikor arbitráció vagy nyugtázás alatt több domináns bit kerül kiküldésre kettő vagy több csomópontból. Az 1. ábrán látható, ekvivalens buszáramkört példának véve, ha az S1 kapcsoló a t = 0 időpillanatban domináns (buszvezérlő) állapotból recesszív állapotba vált, a CAN-meghajtó VS differenciális kimeneti feszültsége domináns állapotból egyensúlyi állapotba, 0 V-ra kerül. Mikor ez a jel terjedésnek indul a buszon, és megérkezik annak terhelésekkel tarkított részére, az impedanciák egyezőtlensége feszültséghullámot indít meg vissza, a forrás felé.

A d-vel jelölt, CAN-csomópontok közötti minimális, biztonságos távolság függvénye az eszköz koncentrált kapacitásának, CL-nek, valamint a kábel elosztott, egységnyi hosszra eső kapacitásának, C-nek, ahol d > CL/0,98 C méter, ha C egysége pF/m. A 2. ábra grafikusan ábrázolja ezt a függést.
A terhelési összkapacitáshoz hozzájárulnak a CAN-adóvevők kivezetései, a csatlakozók, a nyomtatott huzalozású hordozók huzalozási pályái, a különféle védelmi áramkörök és egyéb, fizikai csatlakozások.
A 3,3 V-os CAN-adóvevő áramkörök, mint pl. a Texas Instruments SN65HVD233, 16 pF értékű differenciális kapacitással rendelkeznek. Az áramköri kártyák jelútjai jellemzően 0,5 ... 0,8 pF/cm kapacitást visznek a rendszerbe, felépítésüktől függően. A csatlakozók és elnyomók kapacitása széles határok között változhat, az átviteli közegek elosztott kapacitásának mértéke pedig az árnyékolt, csavart érpáras, kis kapacitású kábelek 35 pF/m értékétől a nagygépes rendszerekre jellemző, 70 pF/m értékig is terjedhet.

TI-mérnökök kísérletet végeztek az egy buszon jelen lévő, több domináns bit hatásának demonstrálására. Ennek keretében tíz SN65HVD233 CAN-adóvevőt csatlakoztattak a buszra, a csomópontok között egyenként 12,7 cm hosszúságú, 120 Ω-os, csavart érpáras kábellel (lásd 3. ábra). A góc utolsó csomópontját egy 120 Ω-os ellenállás zárta le, az első csomópontot pedig egy Belden-gyártmányú, 200 m-es, 3105A típusnevű, csavart érpáras kábelre kötötték.

A 4. ábra egy 250 Kibit/s sebességű adatfolyam vételi hullámformáját mutatja, amelyet a buszra egy egycsomópontos terhelés tett rá egy 200 méteres kábellel csatlakoztatott, kapacitív csomóponti gócra.

Az 5. ábra ugyanezt a hullámformát mutatja abban az esetben, ha a több mint egy csomópont küld domináns biteket a buszra az arbitráció alatt. Vegyük észre a hullámforma magnitúdójában végbement változást! Az 5 ns/m-es fajlagos késleltetés 200 méterre összesen 1 µs lesz, a negatív töltésű hullámforma pedig visszaverődik, és csillapítja a hullámformát a csomópontok vételi gócában.

A 6. ábra nagyobb felbontásban szemlélteti ugyanezt a reflexiót. Ez az ábra kiváló példája egy arbitrációs bithibának, hiszen jól látszik, hogy a negatív reflexió következtében a jel differenciális feszültsége a domináns bitekre érvényes, 900 mV-os feszültséghatár alá esik. Ne felejtsük el, hogy ez egy szimpla pont-pont összeköttetésű buszcsatlakozás, és bármilyen változtatás (pl. leágazó vonal hozzáadása) csak súlyosbítja a problémát! Hasonló súlyosbító körülményt jelentene, ha a jelzési sebességet 500 Kibit/s-ra növelnénk, hiszen a reflexió ekkor a hullámforma 2 µs-os periódusidejének felét tenné ki.

A CL koncentrált terhelési kapacitás minden CAN-csomópontnál összesen kb. 20 pF/darab ebben a példában, míg az elosztott, egységnyi hosszra eső kapacitás, C kb. 40 pF/m. A csomópontok közötti távolságra vonatkozó számítás eredménye a 2. ábra tanúsága szerint (CL = 20 pF, C = 40 pF/m paraméterek mellett) azt mutatja, hogy a 12,7 cm helyett a 0,5 méter távolság a kábelen a gócpontok között megoldja az imént vázolt problémát (lásd 7. ábra). Eszerint a számítások helyesek: a reflektált hullám csaknem teljes egészében eltűnt, a ráadásként szükséges, csavart érpáras kábel pedig kifejezetten alacsony felár egy biztonságos rendszerért cserébe.

Konklúzió
Egy olyan CAN buszos rendszernél, amelyet nem optimalizáltak a minimális energiareflexió szempontjából, számos problémára lehet számítani. Még ha úgy is tűnik, hogy az adatátvitel üzemszerűen történik, a domináns bitek véletlenszerű ütközése az arbitráció vagy nyugtázás során kellően nagy reflexiót tud okozni, amely késleltetéseket és a prioritási sorrend felborulását okozhatja, a hangsúlyosabb reflexiók pedig még nagyobb buszkésleltetéseket idézhetnek elő. A reflexiók a csomópontok közötti távolság optimalizálása útján jól keretek között tarthatók, amelyekhez az adatátviteli gyakorlatok jó alapot nyújtanak.

1: sínhozzáférés-vezérlés
2: Cikkünkben minden kapacitás differenciálisként értendő, amely értékét tekintve mintegy fele az egyvégű kapacitásoknak.

Forrás: Farnell