CAN总线波形中为什么ACK电平偏高？

CAN总线一直以实时性强、传输距离远、抗干扰能力强、数据保证到达等特点而广泛应用于高可靠性的场合。但常常在观察CAN通信波形时，我们会发现差分电平在ACK段突然增高，这是什么原因导致的呢？这里结合测试实例对ACK电平偏高的原因做简单分析。

一、ACK简介

ACK的作用：确认一帧报文是否正常接收。

以标准数椐帧为例，从结构上看分成7段，分别为起始段、仲裁段、控制段、数椐段、CRC校验段、ACK应答段、帧结束段，如图1所示：

图1 标准数椐帧结构

ACK段长度为2个位，包含应答间隙（ACK SLOT）和应答界定符（ACK DELIMITER）。在应答场里，发送站发送两个“隐性”位。当接收器正确地接收到有效的报文，接收器就会在应答间隙（ACK SLOT）期间（发送ACK信号）向发送器发送一“显性”的位以示应答。如图2 （CANScope测试的ACK段波形图）所示：

图2  ACK应答位结构

应答间隙：所有接收到匹配CRC序列（CRC SEQUENCE）的节点会在应答间隙（ACK SLOT）期间用一“显性”的位写入发送器的“隐性”位来作出回答，由于CAN总线线与的原理，只要总线上有一个节点正确接收到数据，则ACK SLOT就会被填入显性电平。

ACK界定符：ACK界定符是ACK场的第二个位，并且是一个必须为“隐性”的位。因此，应答间隙（ACK SLOT）被两个“隐性”的位所包围，也就是CRC界定符（CRC DELIMITER）和ACK界定符（ACK DELIMITER）。

当一个接收节点接收的帧起始到CRC段之间的内容没发生错误时，它将在ACK段发送一个显性电平。 如图3所示：

图3 ACK应答过程分析

二、CAN总线ACK电平偏高原因分析

以使用ZLG致远电子CANScope测试某电车CAN网络为例，20多个CAN节点采样手牵手方式组网，线两端各接120欧电阻，通讯能够正常，但差分信号波形应答位电平偏高较多，如图4所示，从CANScope的波形图中可以清楚的看到ACK电平突增。

图4  CAN数椐帧波形分析

CAN总线通信存在异常，ACK应答有问题？——NO

分析如下：

首先，我们看一款CAN收发器的典型内部结构图，CANH、CANL连接总线。

图5  CAN收发器的典型内部结构图

总线显性时（逻辑为0），收发器内部Q1、Q2导通，CANH、CANL之间产生压差；隐性时（逻辑为1），Q1、Q2截止，CANH、CANL处于无源状态，压差为0。

按照标准，在总线输出为显性时，CANH=3.5V，CANL=1.5V，差分分电平：CANH-CANL=2V，总线网络电阻为60欧，流经终端电阻的电流约为33mA(2V/60欧)；

然而，CAN收发器在输出显性时，CANH电平并不是标准的3.5V，而是5V(VCC)通过一个二极管降压得到的，二极管的压降由负载电流决定。图6所示的VDH为CANH对应的二极管压降，VDL为CANL对于的二极管压降，流过的电流越大，二极管的压降就越大。可知：

CANH的电压=5V-VDH     CANL的电压=0V+VDL

图6  CAN收发器等效结构

在CAN总线网络中，当一帧报文被各个节点接收时，在ACK阶段，多个CAN节点同时响应（都发显性），流过终端电阻的电流被各个CAN节点均分，那么平均到每个节点的电流就减小了，如下图所示，VDH、VDL的压降也减小，相应CANH-CANL的差分电压就增大了，即ACK应答电平偏高。

图7  CAN网络等效结构

三、ACK的意义

当CAN总线上只有一个节点可收发数据时，总线上因无接收节点在ACK SLOT时间内 发送“显性”位填充，而始终保持隐性，发送者会检测到这个隐性位而知道发送失败，此条报文需要重发。因此这个节点会一直重发数据直到发送成功或发送被取消。

当总线上有多个CAN节点组网通信时，由于总线电平线与的原理，只要总线上有一个节点正确接收到数据，则ACK SLOT就会被填入显性电平(此时认为数据帧发送成功), 那么，接收错误的节点如何来告知发送者此次发送不成功呢？这就要用到CAN的错误帧，当一个接收节点收到错误数据时，它立即广播发送一个错误帧，其它的节点和发送者也都会收到这个错误帧而丢掉此次报文，发送节点重新发送，这才是ACK的意义。