从"能动"到"稳定"：OpenArm 开源机械臂 CAN 通信链路整改指南

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在开源机器人领域，OpenArm 可以说是一个非常成功的项目。从教学、科研到个人开发，OpenArm 都具有非常高的参考价值。

但如果从工程产品的角度来看，一个系统从"能够运行（Works）"到"稳定可靠（Reliable）"，往往还需要经历细致的工程化打磨。

在对 OpenArm 进行测试和调试的过程中，我们发现其 CAN 总线物理链路仍然存在几处明显需要优化的地方。这些问题在日常使用场景下可能不明显，但在一些更严格的通信环境中可能会带来潜在风险。

问题汇总速览

表面上看，官方提供的整机表现上没什么问题，但用户在进行调试时又经常遇到各种问题。 在进一步对 CAN 总线进行检查后，我们发现其中存在一些典型但容易被忽视的问题：

1. CAN 终端电阻布置错误（开源文档没有任何关于终端电阻设置的提示）
2. 电源线缆多余的CAN线产生 60cm 长的 CAN 悬空分支
3. 电机CAN_GND未和CAN适配器直接连接

原始开源设计下测试的CAN通讯波形

从示波器测量出的波形（配合德国PEAK PCAN-USB FD PRO），可以发现：

1. 波形存在严重的信号变形
2. 波形反射和振铃严重
3. 存在大量的错误帧（导致BUS OFF掉线错误）

本文将对以上问题进行具体的分析，并给出改进建议。另外还会对整机现在的通讯状态进行分析。

一、CAN 总线拓扑分析

1. 主干结构基本合理

首先值得肯定的是：OpenArm 主臂部分的 CAN 连接方式整体是合理的。

其结构基本遵循 CAN 总线推荐的 Daisy Chain（手拉手）拓扑：

J1、J2 两个电机虽然属于分支结构，但分支不长（小于 30cm），符合 CAN 总线的推荐规范。

2. 过长的悬空分支

整机布线存在一个比较典型的问题：电源线缆多余的CAN线产生 60cm 长的 CAN 悬空分支。

• 电源线包含了CAN信号线，但在电源适配器端是没有连接任何CAN节点的
• 产生了从HUB接线板到电源接头的60cm 长的 CAN 悬空分支
• 与电源线并行

在 CAN 网络中，长分支是最常见的稳定性杀手之一。

它会导致：

• 阻抗不连续：信号遇到阻抗突变产生反射，分支越长越明显
• 信号振铃：反射信号叠加导致振铃现象

因此，这条 60 cm 的悬空分支明显不符合工程规范。

二、终端电阻：隐藏的"60Ω 陷阱"

另一个容易被忽视的问题是终端电阻配置。

很多人在调试 CAN 网络时都知道使用万用表测量 CANH 与 CANL 之间的电阻。

理论上：

• 两端各有一个 120Ω 终端电阻
• 因此：测量结果为 60Ω 通常被认为是"正常"

但在 OpenArm 中，测量结果却具有一定的误导性。

实际情况

在实际检查 OpenArm CAN 总线结构后发现：机械臂末端并没有独立的终端电阻。

在机械臂上测量得到的 60Ω 来自于：

• CAN 收发器端自带的 120Ω(CAN适配器出厂默认开启了内置终端电阻)
• DB9转接板板载 120Ω 电阻
• 两个电阻实际都在适配器端，一个在内部，一个在外部DB9转接板上

虽然测量值仍然是 60Ω，但终端位置其实并不在总线物理两端。这会导致总线末端阻抗不匹配，信号质量严重下降。

三、共地问题：被忽视的 CAN 稳定性因素

在检查 OpenArm 的 CAN 通信链路时，我们还发现了另一个容易被忽视的问题：CAN 线束中没有提供信号地（GND）。

在很多"能够运行"的系统中，是因为电机供电的负极通过电源适配器和CAN适配的USB GND间接连接。这种连接方式确实能够正常工作，但从工程规范角度来看，它存在一定风险。

CAN 接收器是通过 CANH 与 CANL 的电压差来判断逻辑状态，而不是单独看某一根线对地的电压。

但这里有一个容易被忽略的问题：每个 CAN 节点内部的收发器，仍然是以本地地（GND）作为电压参考的。

如果不同节点之间的地电位差超过这个范围，就可能导致：

• 接收器无法正确判断信号
• 信号边沿变形
• 通信错误增加

四、为什么系统依然能够正常通信？

OpenArm 开源至今，存在很多使用者反馈调试困难、通讯稳定性差等问题。

我们在测试中也发现：不同 CAN 适配器的表现差异非常明显。例如：使用经典 CAN 设备（PEAK CAN）时，系统总线完全无法进行通讯。而使用一些现代适配器，例如：KH-UCANFD、Pibiger 却能够正常通信。

原因其实很简单，许多现代 CAN 适配器在设计时进行了额外优化，例如：

• 更强的信号容错能力
• 更好的模拟滤波
• 更智能的错误恢复

这解释了为什么OpenArm团队测试了很多USB-CANFD适配器却只有少部分能够使用，且即使使用了容忍度更高的CAN适配器 OpenArm 底层物理链路的缺陷仍会导致丢帧或错误帧。

"能通信"不等于可靠和稳定,这种"能通信"是靠吃掉CAN总线可靠性余量换来的。产生的后果是整个系统无法在工业场景或复杂工况稳定运行，又或者时常出现莫名其妙的意外问题 - 如很多用户遇到的手臂异常抽动、动作不连贯。

五、实际整改过程

针对上述问题，我们对 OpenArm 的 CAN 总线进行了简单整改。整改过程主要包括三个步骤。

1. 优化布线

• 将原有 60 cm 悬空 CAN 线直接移除
• 避免 CAN 线与电源线长距离并行

②为原本的线路，①为优化后的布局（去掉悬空分支、接入地线）。

2. 规范终端电阻

重新确认 CAN 网络终端电阻配置：

• 总线两端各一个 120Ω
• 中间节点不包含多余电阻

• 移除CAN适配器端多余的终端电阻（关闭适配器内部软控电阻或取下DB9转接板的跳线帽）
• 在末端电机（夹抓电机J8空余的XT30接口）上添加120欧姆终端电阻。

3. 添加共地线

可参考以下示意，在CAN通信线端子的电源负极处接出一根地线到CAN适配器的CAN_GND。

• 由于DM电机没有设计单独的CAN_GND, 这样的电机只能使用电源地作为CAN_GND

六、整改后的测试结果

我们将 OpenArm 的其中一条手臂进行了整改，另外一条机械臂进行对比测试。

测试结果非常明显，整改后的机械臂：

• 使用经典 CAN 设备，也不再出现通讯异常情况 提升了整个系统的兼容性
• 示波器观测到的波形明显改善：
  • 信号反射明显减少
  • 振铃基本消失
  • 边沿更加干净稳定
• 总线错误消失

整改前波形：

整改后波形（配合KUNHONG KH-UCANFDX4）：

七、结语

OpenArm 作为一个开源项目，本身已经做得非常优秀。而类似通信链路结构问题，其实在很多开源硬件项目中都很常见。通过一些简单的工程整改，就可以大幅提升系统稳定性。作为从业者更应该不断为开源项目贡献改进和优化的力量，改进并完善开源项目，而不是一味的将开源资料奉为“原版”“官方”而不敢或不愿意去改进。

从某种意义上说：开源项目的真正价值，不只是提供一个能够运行的系统，更是通过社区不断迭代，让它变得越来越完善和具有工程化的价值。