CANバス配線：スタブ長制限、終端配置、デイジーチェーントポロジー

信頼性の高いCANバス配線は、トポロジー、スタブ長、および終端配置という3つの厳格な制約によって管理される物理層の規律です。

主なポイント

• CANは線形（デイジーチェーン）バスのみを使用します。各ノードは単一のトランクに直列に接続され、スター、ツリー、またはリングレイアウトは、分岐反射がビットサンプリングを破損するため禁止されています。
• 1 Mbit/sでは、個々のスタブ長は0.3 m未満、バス全体の長さは約40 m未満に保つ必要があります。ビットレートが低下すると、両方の制限は緩和されます。
• ISO 11898-2は、バスの各物理端に120 Ωの終端抵抗を必要とします。合計2つの終端抵抗が必要であり、1つまたは3つは許可されません。
• 電源オフ時にCAN_HとCAN_L間で測定した約60 Ωは、正しいデュアル終端を確認します。約120 Ωは終端抵抗の欠落を示し、約40 Ωは余分な終端抵抗があることを示します。
• SAE J1939およびCANopen用のカスタムCANハーネスは、コネクタのブレークアウトでのスタブ長を制御し、500 kbit/s以上での信号整合性を維持するのに十分な短さを保ちます。

エンジニアリングの経験則：トランクの最も離れた2つの端に正確に2つの120 Ω終端抵抗を配置し、1 Mbit/sではすべてのスタブを0.3 m未満に保ち、トランクから分岐するのではなく、ノードに到達するようにトランクを延長します。

CANが線形デイジーチェーントポロジーのみを許容する理由

CANは、ISO 11898-2によって単一の線形トランクとして定義されているマルチドロップ差動バスです。各ノードは、独自のブランチを介するのではなく、短いスタブまたはドロップを介してそのトランクに接続されます。バスは、非破壊的な調停中（ドミナント状態とリセッシブ状態がケーブル全体の長さにわたって安定する必要がある場合を含む）に、すべてのトランシーバーが単一ビット時間内にクリーンな差動波形を認識することに依存しています。

スター、ツリー、およびリングトポロジーはこの規律を破ります。各ジャンクションはインピーダンスの不連続性であり、トランクに沿って反射を放出し、それらの反射がオーバーシュート、リンギング、または誤ったエッジとしてサンプリングポイントに到達します。したがって、製造されたCANセグメントは、各ノードコネクタへの短く制御されたブレークアウトを備えた単一のカスタムワイヤーハーネストランクとして構築され、放射状のスポークを備えたハブとしては構築されません。スターが避けられない場合は、各セグメントを再終端するためにアクティブなCANリピーターまたはハブが必要です。

スタブ長制限とビットレート

スタブとは、トランクとノード間の終端処理されていないケーブルの長さのことです。ケーブルの公称120 Ωインピーダンスはオープンスタブの端で中断されるため、スタブは伝送線路の不連続部として機能します。信号の一部が反射し、トランクに戻り、ライブ波形に重畳します。スタブの往復遅延が信号の立ち上がり時間の意味のある割合に近づくと、その反射はサンプリングウィンドウ内に着地し、ビットを破損させます。

ビットレートが速いほど、ビット時間は短くなり、許容されるスタブ長も短くなります。1 Mbit/sでは、一般的な制限は約0.3 m/スタブであり、バス全体の累積スタブ長も上限があります。120 Ωという目標値の根拠と、それが100 Ωイーサネットケーブルとどのように異なるかについては、CANバスケーブルの特性インピーダンスに関するガイドで説明しています。下の表は、一般的なビットレートに対するISO 11898-2 / CiAに準拠したガイダンスをまとめたものです。

バス長の値は伝播遅延によって制限されており、確立されたものです。低速レートのスタブ許容値は、固定された標準値というよりは業界の一般的なスケーリングであるため、これらは設計上の上限として扱い、EMCに敏感なビルドではそれらを十分に下回るようにしてください。

終端配置 — 120 Ω抵抗2本のみ

ISO 11898-2は、ケーブルインピーダンスに整合させ、信号が反射しないように吸収するために、トランクの各物理端に120 Ωの終端を義務付けています。並列に接続された2つの120 Ω抵抗は、バスに対して60 Ωとなります。そのため、電源がオフの状態で適切に終端処理されたセグメントは、CAN_HとCAN_L間で約60 Ωを示します。120 Ωに近い値は終端抵抗が1つ欠落していることを意味し、40 Ωに近い値はバス上のどこかに3つ目の抵抗が追加されていることを意味します。

2つの方式が一般的です。標準終端は、各終端に1つの120Ω抵抗を配置します。分割終端は、各終端を直列の2つの60Ω抵抗に分割し、中央にコンデンサ（通常は4.7nF）をグランドに接続して、コモンモードノイズをバイパスし、長距離の産業用途での放射エミッションを低減します。

CAN配線の実際：自動車、重機、産業用途

小型車両では、パワートレインとOBD-II診断ネットワークはツイストペアで500 kbit/sのCANを実行し、ECUネットワーク全体はデイジーチェーン接続された自動車用ワイヤーハーネスとして構築され、終端抵抗は両端のモジュールに統合されています。SAE J1939は、大型および商用車のネットワークを規定しており、歴史的には250 kbit/s、J1939-14では500 kbit/sです。

オフハイウェイおよび農業機器では、シーリング要件が追加されるため、J1939バックボーンは一般的に、振動と浸入に対して定格されたDeutsch DTおよびDTMコネクタで終端されます。シーリングされたDeutschワイヤーハーネスは、各コントローラへの短いスタブを分岐させながら、トランクを連続させます。

工場では、CANopen（CiA 301準拠）およびDeviceNetは、CiA 303ピン割り当てに従ってM12 5ピンまたはDB9コネクタを介して同じ物理層を展開し、多くの場合、連続フレキシブルドラッグチェーンケーブルで使用されます。ドラッグチェーン定格の産業用ワイヤーハーネスは、フレキシブルセクションでのスタブの規律を維持する必要があります。そこでは、長すぎるまたは移動するドロップは、静止した設置よりも早く信号品質を低下させます。

CANバス配線に関するよくある質問

500 kbit/sのCANにおける最大スタブ長はどれくらいですか？

500 kbit/sの場合、各終端されていない分岐線は長さ約0.6 m以下、累積分岐線長は約1.5 m以下に保ってください。これらはビット時間と信号立ち上がり時間から導き出された設計上の上限であり、厳密な規格上の制限ではないため、ノイズが多いバスや長いバスでは短い方が常に安全です。

CAN終端抵抗器はバスの中央に配置できますか？

いいえ。2つの120 Ω終端抵抗器は、トランクの物理的な両端に配置する必要があり、中央には配置できません。バス中央の終端抵抗器は、ケーブルを終端されていない2つのセグメントに分割し、その開放端が信号を反射させ、さらに並列に3つ目の抵抗が追加されてバスインピーダンスが整合値以下に低下します。

CANバスに3つの終端抵抗器があるとどうなりますか？

並列に接続された3つの120 Ω抵抗器は、実効バスインピーダンスを約40 Ωに低下させ、トランシーバーに過負荷をかけ、差動電圧スイングを弱めます。低ビットレートではバスが機能するかもしれませんが、速度や温度が上昇するとエラーカウントが増加します。

CANはスター型または分岐型トポロジーをサポートしていますか？

CANはリニアデイジーチェーントポロジーのみに準拠しており、ネイティブなスター型やリング型レイアウトは許可されていません。スター型は、各レッグを独立した終端セグメントとして再終端および再駆動するアクティブCANハブまたはリピーターを介してのみ有効です。

制御された分岐線長のカスタムCANハーネスを調達するにはどうすればよいですか？

カスタムCANハーネスは、コネクタのブレークアウト部分で分岐線長を制御し、2つの120 Ω終端抵抗器をエンドノードまたはエンドコネクタに統合します。ビットレート、総バス長、ノード数と間隔、コネクタファミリー（Deutsch、M12、またはDB9）、およびスプリット終端が必要かどうかを指定すると、製造前に分岐線と長さの予算に対してビルドを検証できます。

CANの信頼性は、ファームウェアではなくハーネスで決定されます。単一のリニアトランク、ビットレート上限未満に保たれた分岐線、そして物理的な両端に正確に2つの120 Ω終端抵抗器が必要です。これら3つの制約を正しく指定すれば、バスはノイズ、振動、距離に耐えられます。いずれか1つでも間違えると、負荷がかかった状態で断続的で追跡が困難なビットエラーとして障害が現れます。