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2019年09月12日 | CAN总线抗干扰的六种解决方案
2019-09-12
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。
史海拾趣
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