CAN总线“镰刀波形”异常原因剖析及优化解决方案

在实际工业应用中，无论是 CAN 总线还是 485 总线，常因组网后波形边沿过缓、出现“镰刀”状的现象而导致数据丢失或出错。

这一现象背后的原理是什么？我们通过一个真实案例对其前因后果进行详细剖析。

某工业机器人客户反馈，在进行数据传输时，发生了丢帧问题。

经现场模拟，发现客户的组网方式为 31 个节点的手拉手拓扑结构，通讯波特率设为 250kbps。

1

异常波形分析

技术团队通过 CAN 分析仪抓取第 31 个节点的总线波形，发现其边沿过缓，且呈现明显的“镰刀”状。

经过分析，总线波形出现此类异常的主要原因是 总线上存在较大的等效电容，导致信号的充放电时间过长。

2

电容效应与波形异常的理论基础

根据充放电时间公式 t=RCt = RCt=RC：

• RRR：等效电阻，包括 收发器内阻和 终端电阻。
• CCC：等效电容，包括引脚对地电容（Cj1）和总线间电容（Cj2）。

当总线电平从高变低时，电容上的电压需通过内阻 RRR 和终端电阻释放。若 等效电容过大，放电时间增大，导致波形边沿变缓。

3

总线接口电路检查与优化

通过检查客户使用的 CAN 接口保护电路。

发现：电路中采用了 TVS 管和 气体放电管作为保护器件。TVS 管的结电容较大，通常在数百到上千皮法，多个节点组网时，结电容叠加会显著影响总线性能。

4

实验验证与优化过程

去除部分 TVS 管后（保留部分保护器件）

波形边沿迟缓程度有所改善，但仍呈“镰刀”状。

完全去除 TVS 管后

波形恢复正常，“镰刀”状消失，且丢帧问题解决。

对比去掉 TVS 管前后的波形：

• 优化前：边沿时间约 1.3 µs。
• 优化后：边沿时间减小至 160 ns，通讯性能显著提升。

5

结论与建议

异常波形的核心原因：

• 总线等效电容过大是“镰刀”波形的主因。
• 保护电路中使用的大结电容器件（如 TVS 管）可能导致总线性能下降，需权衡其保护效果与通讯效率。

优化方向：

• 优选低结电容的保护器件。
• 组网设计时，尽量减少无必要的并联电容。
• 在调试时通过波形分析仪定位问题节点，并适时调整终端匹配电阻值或减少节点数。

建议的实践措施：

• 对关键节点进行波形测试，确保边沿时间满足协议要求。
• 在节点数较多的情况下，适当降低通讯速率或优化拓扑结构（如采用分支网络）。

此案例充分说明，总线通讯的可靠性不仅依赖于设计阶段的参数选型，更需要在现场调试中结合波形分析工具优化组网细节，为工业场景的高效运行提供保障。