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» 2020年06月15日 06時00分 公開

よくあるCANの質問(1):CAN信号の終端処理を適切に行う (1/2)

CAN(Controller Area Network)システムは、一般的なインタフェースのように見えますが、CANシステムを設計、実装する際には疑問や問題がたくさん湧き出てくるでしょう。すでに多くのエンジニアがこのような課題に取り組んできましたので、「よく聞かれる質問」に対する解説をシリーズでお送りします。第1回では、CANシステムの信号終端処理を取り上げます。

[Eric Hackett(Texas Instruments),MONOist]

 CAN(Controller Area Network)システムは、一般的なインタフェースのように見えますが、CANシステムを設計、実装する際には疑問や問題がたくさん湧き出てくるでしょう。すでに多くのエンジニアがこのような課題に取り組んできましたので、「よく聞かれる質問」に対する解説をシリーズでお送りします。第1回では、CANシステムの信号終端処理を取り上げます。

 CANバス信号でネットワーク内の全てのCANノードに信号を伝える際には、適切に終端が施されているかどうかが非常に重要となります。CANバスのように物理的に長い導体では、正しく終端されていないと信号反射が起こり得るため、通信が制限される可能性があります。

質問1

1つのバスにはCANノードを幾つまで接続できますか? ノード数が制限される要因は何ですか?

 CANが含まれるほとんどのアプリケーションは車内ネットワークに関係していますが、この質問と回答は産業用アプリケーションにも当てはまります。

 1つのバス内でのCANノードの最大数はシステム要件に大きく依存しますが、主な制限要因は、一般的にCANトランシーバーのバス入力インピーダンスです。ノード数は、以前は最大32でしたが、最新のCANトランシーバーを用いる場合、この数がかなり増えます。これは、バスの入力インピーダンスが高くなったことと、バスとの間で流れるリーク電流を抑えられるようになったためです。

 トランシーバーは、バスのノード数が多すぎる場合にバスとの間の過剰な電流をシンク(吸い込み)またはソース(吐き出し)することができます。個々のノードからバスにメッセージが送られるとき、トランシーバーはバスのリーク電流の全てをシンクまたはソースしながら、終端抵抗を介して標準電圧信号を駆動する必要があります。起こり得る事象は幾つかあり、その一例がトランシーバーが追加電流を出力することです。信号電圧が低下し、許容される通信レベルを下回る可能性があり、極端なケースでは電流出力も制限されます。または、トランシーバーがサーマルシャットダウンするか、過大な電流需要に応えようとして破損します。

 「TCAN1042」のような最新のCANトランシーバーの差動入力インピーダンスは、最小で30kΩであり、ISO 11898-2の仕様要件である最小12kΩ、最大100kΩに準拠しています。この入力インピーダンスから、理論的にバスは100個のノードに対応できます。入力インピーダンスが30kΩのトランシーバーを100個並列に接続した場合、300Ωに相当し、これは60Ωのバスインピーダンスと並列で50Ωに相当します。物理バス全体での信号損失、グランドオフセット、寄生負荷、さらにその他の要因により、実際に接続可能なノード数はこれより少なくなる傾向があります。

質問2

終端は、CANバスのエンドノードのみに必要ですか? それともエンドポイントとエンドポイントの間にある各ノードに終端抵抗を配置しなければいけませんか?

 CANバスの両方のエンドノードには、終端が必須です。両方のエンドノードに120Ωの終端を配置しないと、CANバスとドライバとのインピーダンス不整合による信号反射のせいで、通信品質の低下を招きます。

 図1にシンプルなCANバストポロジーを示します。このトポロジーのエンドノードには終端が施されていますが、その間のノードには終端がありません。エンドポイントのノードではなくその間にあるノードの場合、終端は必要ではありませんが、これらのノードから作られるスタブ(伝送線路から枝分かれしている様子が切り株のように見える分布定数線路)が信号品質に影響するおそれがある場合は、終端が有効です。以前のISO 11898では、車載CANバスのスタブの長さは、1Mbpsで最長0.3mと規定されていました。これは長さの目安として便利ですが、この範囲に収まっていたとしても、スタブの影響を受けないという意味ではありません。

図1:エンドノードが終端されたシンプルなCANバスのトポロジー図(クリックして拡大) 出典:TI

 信号品質に問題がある場合は、分岐したノードにも終端を施すことで、スタブからのインピーダンス不整合による信号反射をいくらか減衰させることができます。実質的なバスインピーダンスを低減しないように、このような終端には、標準の120Ωよりも大きな抵抗が必要です。バスインピーダンスがCANトランシーバーの要件を満たさないと、CANドライバが正しい電圧レベルを駆動できなくなります。一般的に、この終端抵抗の値は1k〜2kΩの範囲になります。

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