CAN 总线虽然有强大的抗干扰和纠错重发机制,但目前 CAN 被大量应用于比如新能源汽车、轨道交通、医疗、煤矿、电机驱动等行业,而这些场合的电磁环境比较严重,所以如何抗干扰是工程师最为关心的话题。
 
前段时间有个做模台流水线的用户,一条流水线有两路 CAN 总线,一条总线有 22 个控制节点,每当启动模台就会出现严重的失控状态,模台下是由很多电机驱动的,而操控台下放着变频器。使用 CANScope 测试发现,在未启动电机情况下,控制台的 CAN 通信正常,帧统计结果显示 100%成功率,如图 1 所示。
 
图 1 模台静态状态下帧统计
 
此时 CAN 波形图如图 2 所示。
 
图 2 模台静态状态下波形图
 
然而当模台电机启动之后,CAN 总线质量急剧下滑,使用 CANScope 帧统计结果显示成功率仅仅为 16.33%,如图 3 所示。
 
图 3 模台动态态状态下帧统计
 
此时的 CAN 波形图如图 4 所示,可见干扰导致波形严重畸变。
 
图 4 模台动态态状态下波形图
 
干扰导致帧错误增加,重发频繁,正确数据不能及时到达。所以如何解决干扰带来的困扰呢,下面就为大家介绍 CAN 总线抗干扰的六大解决方案。

 

 
一、增加 CAN 接口电气隔离
干扰不但影响信号,更严重的会导致板子死机或者烧毁,所以接口和电源的隔离是抗干扰的第一步。隔离的主要目的是:避免地回流烧毁电路板和限制干扰的幅度。如图 5 所示,未隔离时,两个节点的地电位不一致,导致有回流电流,产生共模信号,CAN 的抗共模干扰能力是 -12~7V,超过这个差值则出现错误,如果共模差超过±36V,烧毁收发器或者电路板。
 
图 5 差分抗干扰示意图
 
传统用户都采用分立器件自己搭建隔离电路的方式,如今大家更青睐使用隔离收发器做防护隔离。如图 6 所示的 CTM 系列隔离收发器的总线隔离技术,与传统分立器件方案相比,产品具备更高的集成度与可靠性,能够有效提升总线通信防护等级,极大程度降低用户的采购与生产成本,大幅缩短开发周期。
 
图 6 隔离 CAN 收发器
 
增加 CTM 隔离模块后,如图 7 所示。隔绝了地回流,限制了干扰幅度。
 
图 7 隔离地回流
 
二、共 CAN 收发器的信号地
共 CAN 收发器的信号地,并且 CAN 使用三线制信号传输。可以有效抑制共模干扰。注意图 8 中屏蔽层为近距离外壳等电势的情况下的接线方法。
 
图 8 CAN 信号共地

 

 
三、CAN 线保证屏蔽效果与正确接地
带屏蔽层的 CAN 线,可以良好地抵御电场的干扰,等于整个屏蔽层是一个等势体,避免 CAN 导线受到干扰。如图 9 所示,为一个标准的屏蔽双绞线,CANH 和 CANL 通过铝箔和无氧铜丝屏蔽网包裹,如图 9 所示。需要注意的是和与接插件的连接,在连接部分允许有短于 25mm 的电缆不用双绞。
 
图 9 屏蔽双绞线
 
使用屏蔽线后,在屏蔽层没有良好接大地前,屏蔽线是不起作用的。所以我们要选择一种接地方式。这里有三种外壳接地法:屏蔽层单点接地,可以避免地回流(不同位置的地电位不同而导致的产生电流),如图 10 所示。节点信号地阻容接自身外壳,如图 11 所示。屏蔽层分段屏蔽法,如图 12 所示,多点接地可以加快高频干扰信号的泄放,屏蔽层单点接地可以避免地回流,所以要根据实际情况选择合适的接地方式。
 
图 10 屏蔽层单点接地
 
图 11 节点信号地阻容接自身外壳地
 
图 12 屏蔽层分段屏蔽法
 
在 CAN 的应用场合,由于距离一般都较远,所以大部分采用屏蔽层单点接地的原则,在干线上找一点将屏蔽层用导线直接接地,该点应是所受干扰最小的点,同时该点位于网络中心附近。

 

 
四、提高 CAN 线双绞程度
CAN 总线为了提高抗干扰能力,采用 CANH 和 CANL 差分传输,达到效果就是遇到干扰后,可以“同上同下”,最后 CANH-CANL 的差分值保持不变。如图 13 所示。
 
图 13 差分抗干扰示意图
 
CANH 和 CANL 要紧密地绞在一起,通常双绞线只有 33 绞 / 米,而在强干扰场合,双绞程度要到 45-55 绞 / 米才能达到较好的抗干扰效果。另外线缆的芯截面积要大于 0.35~0.5mm²,CAN_H 对 CAN_L 的线间电容小于 75pF/m,如果采用屏蔽双绞线,CAN_H(或 CAN_L)对屏蔽层的电容小于 110pF/m。可以更好地降低线缆阻抗,从而降低干扰时抖动电压的幅度。
 
表 1 双绞线对磁干扰的衰减比
 
 
五、增加信号保护器
增加信号保护器,提高抗浪涌群脉冲等 EMC 能力。上面的隔离只是阻挡,如果干扰强度很高,比如达到 2KV 浪涌,隔离也会被破坏。所以要想达到更高的防护等级,必须增加防浪涌电路。如图 14 所示,为 ZLG 致远电子高速总线标准防浪涌保护电路。
 
注意,由于电容较大,一条总线最多增加 2-3 个保护器!
 
 
图 14 信号保护电路
 
六、CAN 转为光纤传输
增加 CAN 转光纤转换器。解决超强干扰(比如远程激光与电磁脉冲发射装置)与雷击问题,光纤是一种无法被电磁干扰的传输介质,如图 15 所示,为使用 ZLG 致远电子的 CANHub-AF1S1 和 CANHub-AF2S2 组合的光纤主干网络。
 
 
 
图 15 使用光纤转换器实现光纤主干传输
 
以上就是今天跟大家分享的总线抗干扰的六种解决方案,在文章最后再补充在现场常用的两种手段吧。
 
1、CAN 线远离干扰源
远离干扰源是最简单的抗干扰方法,如果 CAN 线与强电干扰源远离 0.5 米,干扰就基本影响不到了。可是在实际布线中,经常遇到空间太小而不得不和强电混在一起,如图 16 所示,为某新能源汽车的驱动系统,CAN 线与驱动线混在一起,结果导致干扰很大。只要与 CAN 并行的驱动线,具备 2A/ 秒的电流变化,就会耦合出强磁场而导致 CAN 线上出现干扰脉冲。所以 CAN 线必须要和电流会剧烈变化的线缆远离。比如继电器、电磁阀、逆变器、电机驱动线等。
 
 
图 16 干扰现场图
 
而解决这个问题,只能尽量保证强电与弱电分开捆扎,距离上尽量远离。实在避不开,也要垂直交叉,也不能平行布线。
 
2、增加磁环或者共模电感
使用抗干扰的磁环,目的就是削弱特定频率的干扰的影响。如图 17 所示,为增加磁环的效果。CAN 差分线缆可以两线一起加,或者单端单独加。
 
图 17 增加磁环
 
需要注意的是增加磁环或者共模电感时,不可随意添加,如果适应频率不对,则会影响正常信号通讯哦。