值得收藏的六種解決CAN總線抗干擾的方法

CAN總線雖然有強(qiáng)大的抗干擾和糾錯(cuò)重發(fā)機(jī)制，但目前CAN被大量應(yīng)用于比如新能源汽車、軌道交通、醫(yī)療、煤礦、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等行業(yè)，而這些場(chǎng)合的電磁環(huán)境比較嚴(yán)重，所以如何抗干擾是工程師最為關(guān)心的話題。

前段時(shí)間有個(gè)做模臺(tái)流水線的用戶，一條流水線有兩路CAN總線，一條總線有22個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，每當(dāng)啟動(dòng)模臺(tái)就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的失控狀態(tài)，模臺(tái)下是由很多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，而操控臺(tái)下放著變頻器。使用CANScope測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在未啟動(dòng)電機(jī)情況下，控制臺(tái)的CAN通信正常，幀統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示100%成功率，如圖1所示。

圖1模臺(tái)靜態(tài)狀態(tài)下幀統(tǒng)計(jì)

此時(shí)CAN波形圖如圖2所示。

圖2 模臺(tái)靜態(tài)狀態(tài)下波形圖

然而當(dāng)模臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)之后，CAN總線質(zhì)量急劇下滑，使用CANScope幀統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示成功率僅僅為16.33%，如圖3所示。

圖3模臺(tái)動(dòng)態(tài)態(tài)狀態(tài)下幀統(tǒng)計(jì)

此時(shí)的CAN波形圖如圖4所示，可見(jiàn)干擾導(dǎo)致波形嚴(yán)重畸變。

圖4模臺(tái)動(dòng)態(tài)態(tài)狀態(tài)下波形圖

干擾導(dǎo)致幀錯(cuò)誤增加，重發(fā)頻繁，正確數(shù)據(jù)不能及時(shí)到達(dá)。所以如何解決干擾帶來(lái)的困擾呢，下面就為大家介紹CAN總線抗干擾的六大解決方案。

增加CAN接口電氣隔離

干擾不但影響信號(hào)，更嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致板子死機(jī)或者燒毀，所以接口和電源的隔離是抗干擾的第一步。隔離的主要目的是：避免地回流燒毀電路板和限制干擾的幅度。如圖5所示，未隔離時(shí)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的地電位不一致，導(dǎo)致有回流電流，產(chǎn)生共模信號(hào)，CAN的抗共模干擾能力是-12~7V，超過(guò)這個(gè)差值則出現(xiàn)錯(cuò)誤，如果共模差超過(guò)±36V，燒毀收發(fā)器或者電路板。

圖5差分抗干擾示意圖

傳統(tǒng)用戶都采用分立器件自己搭建隔離電路的方式，如今大家更青睞使用隔離收發(fā)器做防護(hù)隔離。如圖6所示的CTM系列隔離收發(fā)器的總線隔離技術(shù)，與傳統(tǒng)分立器件方案相比，產(chǎn)品具備更高的集成度與可靠性，能夠有效提升總線通信防護(hù)等級(jí)，極大程度降低用戶的采購(gòu)與生產(chǎn)成本，大幅縮短開(kāi)發(fā)周期。

圖6隔離CAN收發(fā)器

增加CTM隔離模塊后，如圖7所示。隔絕了地回流，限制了干擾幅度。

圖7隔離地回流

共CAN收發(fā)器的信號(hào)地

共CAN收發(fā)器的信號(hào)地，并且CAN使用三線制信號(hào)傳輸。可以有效抑制共模干擾。注意圖8中屏蔽層為近距離外殼等電勢(shì)的情況下的接線方法。

圖8CAN信號(hào)共地

CAN線保證屏蔽效果與正確接地

帶屏蔽層的CAN線，可以良好地抵御電場(chǎng)的干擾，等于整個(gè)屏蔽層是一個(gè)等勢(shì)體，避免CAN導(dǎo)線受到干擾。如圖9所示，為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的屏蔽雙絞線，CANH和CANL通過(guò)鋁箔和無(wú)氧銅絲屏蔽網(wǎng)包裹，如圖9所示。需要注意的是和與接插件的連接，在連接部分允許有短于25mm的電纜不用雙絞。

圖9屏蔽雙絞線

使用屏蔽線后，在屏蔽層沒(méi)有良好接大地前，屏蔽線是不起作用的。所以我們要選擇一種接地方式。這里有三種外殼接地法：屏蔽層單點(diǎn)接地，可以避免地回流（不同位置的地電位不同而導(dǎo)致的產(chǎn)生電流），如圖10所示。節(jié)點(diǎn)信號(hào)地阻容接自身外殼，如圖11所示。屏蔽層分段屏蔽法，如圖12所示，多點(diǎn)接地可以加快高頻干擾信號(hào)的泄放，屏蔽層單點(diǎn)接地可以避免地回流，所以要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的接地方式。

圖10屏蔽層單點(diǎn)接地

圖11 節(jié)點(diǎn)信號(hào)地阻容接自身外殼地

圖12 屏蔽層分段屏蔽法

在CAN的應(yīng)用場(chǎng)合，由于距離一般都較遠(yuǎn)，所以大部分采用屏蔽層單點(diǎn)接地的原則，在干線上找一點(diǎn)將屏蔽層用導(dǎo)線直接接地，該點(diǎn)應(yīng)是所受干擾最小的點(diǎn)，同時(shí)該點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)中心附近。

提高CAN線雙絞程度

CAN總線為了提高抗干擾能力，采用CANH和CANL差分傳輸，達(dá)到效果就是遇到干擾后，可以“同上同下”，最后CANH-CANL的差分值保持不變。如圖13所示。

圖13差分抗干擾示意圖

CANH和CANL要緊密地絞在一起，通常雙絞線只有33絞/米，而在強(qiáng)干擾場(chǎng)合，雙絞程度要到45-55絞/米才能達(dá)到較好的抗干擾效果。另外線纜的芯截面積要大于0.35~0.5mm2，CAN_H對(duì)CAN_L的線間電容小于75pF/m，如果采用屏蔽雙絞線，CAN_H(或CAN_L)對(duì)屏蔽層的電容小于110pF/m?？梢愿玫亟档途€纜阻抗，從而降低干擾時(shí)抖動(dòng)電壓的幅度。

表1 雙絞線對(duì)磁干擾的衰減比

增加信號(hào)保護(hù)器

增加信號(hào)保護(hù)器，提高抗浪涌群脈沖等EMC能力。上面的隔離只是阻擋，如果干擾強(qiáng)度很高，比如達(dá)到2KV浪涌，隔離也會(huì)被破壞。所以要想達(dá)到更高的防護(hù)等級(jí)，必須增加防浪涌電路。如圖14所示，為ZLG致遠(yuǎn)電子高速總線標(biāo)準(zhǔn)防浪涌保護(hù)電路。

注意，由于電容較大，一條總線最多增加2-3個(gè)保護(hù)器！

圖14信號(hào)保護(hù)電路

CAN轉(zhuǎn)為光纖傳輸

增加CAN轉(zhuǎn)光纖轉(zhuǎn)換器。解決超強(qiáng)干擾（比如遠(yuǎn)程激光與電磁脈沖發(fā)射裝置）與雷擊問(wèn)題，光纖是一種無(wú)法被電磁干擾的傳輸介質(zhì)，如圖15所示，為使用ZLG致遠(yuǎn)電子的CANHub-AF1S1和CANHub-AF2S2組合的光纖主干網(wǎng)絡(luò)。

圖15使用光纖轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)光纖主干傳輸

以上就是今天跟大家分享的總線抗干擾的六種解決方案，在文章最后再補(bǔ)充在現(xiàn)場(chǎng)常用的兩種手段吧。

1、CAN線遠(yuǎn)離干擾源

遠(yuǎn)離干擾源是最簡(jiǎn)單的抗干擾方法，如果CAN線與強(qiáng)電干擾源遠(yuǎn)離0.5米，干擾就基本影響不到了?？墒窃趯?shí)際布線中，經(jīng)常遇到空間太小而不得不和強(qiáng)電混在一起，如圖16所示，為某新能源汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，CAN線與驅(qū)動(dòng)線混在一起，結(jié)果導(dǎo)致干擾很大。只要與CAN并行的驅(qū)動(dòng)線，具備2A/秒的電流變化，就會(huì)耦合出強(qiáng)磁場(chǎng)而導(dǎo)致CAN線上出現(xiàn)干擾脈沖。所以CAN線必須要和電流會(huì)劇烈變化的線纜遠(yuǎn)離。比如繼電器、電磁閥、逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)線等。

圖16 干擾現(xiàn)場(chǎng)圖

而解決這個(gè)問(wèn)題，只能盡量保證強(qiáng)電與弱電分開(kāi)捆扎，距離上盡量遠(yuǎn)離。實(shí)在避不開(kāi)，也要垂直交叉，也不能平行布線。

2、增加磁環(huán)或者共模電感

使用抗干擾的磁環(huán)，目的就是削弱特定頻率的干擾的影響。如圖17所示，為增加磁環(huán)的效果。CAN差分線纜可以兩線一起加，或者單端單獨(dú)加。

圖17 增加磁環(huán)

需要注意的是增加磁環(huán)或者共模電感時(shí)，不可隨意添加，如果適應(yīng)頻率不對(duì)，則會(huì)影響正常信號(hào)通訊哦。