基于CAN總線的數(shù)字伺服通訊協(xié)議對電磁兼容性能進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)

CAN（Control Area Network）總線最初是一種為汽車車載設(shè)備（傳感器、執(zhí)行器）控制而設(shè)計(jì)的串行數(shù)字通信總線，由德國BOSCH公司和美國INTEL公司在20世紀(jì)80年代末期開發(fā)成功，并于1993年成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898。其目的是用多點(diǎn)、串行數(shù)字通訊技術(shù)取代常規(guī)的直接導(dǎo)線信號連接，可以節(jié)省大量車載設(shè)備的電纜布線。由于CAN總線芯片可靠性高、協(xié)議精練、價(jià)格低、貨源廣泛，因而在工業(yè)測控領(lǐng)域也獲得廣泛應(yīng)用。但是，工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，電磁干擾較為嚴(yán)重，如何保證CAN總線通訊的可靠性尤為重要。

1、 CANsmc系統(tǒng)概述

北京航空航天大學(xué)和北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司聯(lián)合定義了一種基于CAN總線的數(shù)字伺服通訊協(xié)議——CANsmc（CAN for synchronous motion control）。CANsmc采用主從式的雙通道網(wǎng)絡(luò)，由一個(gè)主站和最多61個(gè)從站組成，如圖1所示。系統(tǒng)的通訊由主站管理和協(xié)調(diào)，通道0為指令通道，主站通過它向各個(gè)從站發(fā)送控制指令數(shù)據(jù)。通道1為狀態(tài)通道，各個(gè)從站通過它向主站發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖1也表示了CANsmc實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成，包括主站控制卡、從站控制卡和兩種設(shè)備控制卡。主站控制卡基于ISA總線，插入PC機(jī)控制單元。從站控制卡是嵌入式的CAN總線通訊卡，設(shè)備控制卡包括位置控制卡和I/O控制卡，可以控制伺服驅(qū)動(dòng)器和I/O設(shè)備。

2、 電磁兼容分析

在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，電磁兼容EMC（Electro Magnetic Compatibility）性能對系統(tǒng)的影響非常大，關(guān)系到其能否正常穩(wěn)定運(yùn)行。國際上已經(jīng)開始對電子產(chǎn)品的電磁兼容性做強(qiáng)制性限制，電磁兼容性能已經(jīng)成為產(chǎn)品性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

電磁兼容主要包括兩方面的內(nèi)容，一個(gè)是產(chǎn)品本身對外界產(chǎn)生不良的電磁干擾EMI（Electro Magnetic Interference）影響，稱為電磁干擾發(fā)射；另一個(gè)是對外界電磁信號的敏感程度，稱為電磁敏感度EMS（Electro Magnetic Sensitivity）。干擾源、耦合途徑及敏感設(shè)備是電磁兼容的三要素，缺一不可。電磁兼容的詳細(xì)內(nèi)容如圖2所示。

如圖2所示，電磁干擾信號的耦合途徑有傳導(dǎo)和輻射兩種。而根據(jù)耦合結(jié)果的不同，干擾又分為共模干擾和差模干擾。共模干擾存在于所有的信號線（包括信號線、數(shù)據(jù)線和電源線等）和地線之間，而差模干擾存在于信號線之間。

提高電磁兼容性的措施有三種：提高電子設(shè)備本身的EMC性能、對輻射性耦合使用屏蔽技術(shù)加以抑制、對傳導(dǎo)耦合采取濾波技術(shù)加以抑制。

3 、PCB板EMC設(shè)計(jì)

CANsmc系統(tǒng)主站和從站電路板的設(shè)計(jì)對系統(tǒng)的EMC至關(guān)重要，而一個(gè)電路板的電磁輻射能力和接收能力往往是一致的，因此在提高電路板抗干擾能力的同時(shí)，也抑制了電路板的電磁輻射。PCB板的EMC設(shè)計(jì)主要考慮以下因素：

（1） 元器件選擇和布局

選擇EMC性能好的元器件，并盡量選擇表面貼裝的封裝形式。器件合理布局，把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，使各部件之間的引線盡量短。特別是微控制器和CAN控制器的時(shí)鐘源晶體，一定要按規(guī)定放置，否則會(huì)不起振。

在位置控制卡中使用了模擬電路，應(yīng)把模擬電路和高速數(shù)字電路合理地分開，使相互間的信號耦合為最小。

（2） 合理布局地線，降低地線阻抗

地線電平是所有信號的參考電位。理想狀態(tài)下，電路板上所有的地線應(yīng)該等電位，但是由于地線阻抗的存在導(dǎo)致地線各點(diǎn)電位有差異，所以應(yīng)該盡量減小地線阻抗。最有效的辦法是做多層板，在中間專門設(shè)置一層地線面。但是多層板成本較高，本系統(tǒng)中使用了雙層板，在雙層板的布線面布置了盡量多的平行地線，一面是水平線，一面是垂直線，然后在它們交叉的地方用過孔連接起來，形成地線網(wǎng)格，可以獲得幾乎和多層板相同的效果。

（3） 穩(wěn)定電源

CANsmc系統(tǒng)中主站使用ISA插槽供電，從站使用開關(guān)電源供電，在電源線的入口處都放置了電容低通濾波器，以過濾電源中的高頻毛刺。

電路中邏輯門輸出狀態(tài)切換時(shí)的瞬時(shí)效應(yīng)、電源線阻抗的存在等不理想狀態(tài)會(huì)使電源線產(chǎn)生噪聲，這些噪聲不僅會(huì)造成電路工作不正常，而且會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射。除了設(shè)置電源線網(wǎng)格來減小電源線的電感和阻抗外，還可以使用儲(chǔ)能電容。儲(chǔ)能電容為芯片提供了電路輸出發(fā)生變化時(shí)所需的大電流，避免了電源線上的電流突變，減小了感應(yīng)出的噪聲電壓。儲(chǔ)能電容布置在各個(gè)芯片附近，使它對芯片的供電回路面積盡量小，容量為470~1000pF。對于系統(tǒng)中用到的微控制器和位置控制器等QTP封裝的大型芯片，在其四周每組電源和地引腳附近都放置了儲(chǔ)能電容。

每片芯片的儲(chǔ)能電容放電完畢后，需要及時(shí)充電，做好下次放電的準(zhǔn)備。此時(shí)，為了減小對電源系統(tǒng)的擾動(dòng)，在電源線入口處安裝了一個(gè)二級儲(chǔ)能電容，其容量為芯片儲(chǔ)能電容總量的10倍以上。

（4） 降低信號線間串?dāng)_

電路板信號線間的串?dāng)_也是電路工作不穩(wěn)定的一個(gè)重要因素，尤其是高頻信號線。減小串?dāng)_，不僅要降低線路的電感，還要關(guān)注信號回流線，使回路面積最小。

在布線時(shí)，盡量控制走線的長度，加大線路的寬度和線間距離，以減小線路的電感。使用地線網(wǎng)格也可以使信號線回流面積減小，也減小了信號之間的互相耦合。重要信號線和地線之間安裝濾波電容，以提高信號質(zhì)量。高頻時(shí)鐘信號線用地線隔離，以避免和其它信號線耦合。

4 、電磁輻射和電磁屏蔽

電磁屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一，而且不影響電路的正常工作，因此不需要修改電路。屏蔽體的有效性用屏蔽效能來度量，包括反射損耗和吸收損耗兩部分。保持屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性是電磁屏蔽效能的關(guān)鍵。

CANsmc系統(tǒng)中，CAN總線電纜具有很強(qiáng)的干擾輻射和干擾接收能力。電場在電纜中感應(yīng)出共模電壓，而磁場在電纜中既可以感應(yīng)出共模電壓，也可以感應(yīng)出差模電壓。通過屏蔽可以將電磁場的感應(yīng)干擾降低到最小，而使用雙絞線則進(jìn)一步抑制了磁場感應(yīng)的差模電壓。雙絞線的兩根線之間具有很小的回路面積，而且雙絞線的每兩個(gè)相鄰回路上感應(yīng)出的電流具有相反的方向，相互抵消。雙絞線的絞節(jié)越密，則效果越明顯，如圖3所示。為了減小CANsmc中兩路CAN總線之間的串?dāng)_，應(yīng)該將兩組雙絞線分別屏蔽，電纜中不使用的導(dǎo)線接到信號地。

根據(jù)電磁屏蔽的原理可知，接地與屏蔽效能關(guān)系并不大，但是為了降低靜電放電干擾，整個(gè)屏蔽體需要和大地相連。因此屏蔽層應(yīng)使用連接器護(hù)套與主從站屏蔽機(jī)箱連接在一起，避免使用屏蔽層捻成小辮的形式。

5 、傳導(dǎo)干擾和信號濾波與隔離

CANsmc系統(tǒng)正常工作時(shí)，產(chǎn)生較大傳導(dǎo)性干擾的環(huán)節(jié)有：開關(guān)電源、伺服驅(qū)動(dòng)器、I/O控制設(shè)備等。而危害更大的干擾則是瞬態(tài)干擾，它的特點(diǎn)是時(shí)間短、幅值大、功率小。瞬態(tài)干擾的形式有：電機(jī)狀態(tài)改變時(shí)產(chǎn)生的電快速脈沖群干擾、雷電或大功率開關(guān)在電纜上產(chǎn)生的浪涌、靜電放電感應(yīng)等。傳導(dǎo)干擾以共模形式居多，也有部分為差模干擾。

CAN總線電纜是傳導(dǎo)干擾傳播的一個(gè)重要途徑，在系統(tǒng)中為保證CAN總線通訊的可靠性而使用的EMC措施有：LC濾波器、瞬態(tài)抑制二極管TVS（Transient Voltage Suppressor）、光電隔離等。具體電路如圖4所示。

（1） LC濾波器

在電路板的電纜入口處安裝LC濾波器可以濾除CAN總線電纜中傳導(dǎo)的各種高頻干擾信號。LC濾波器的電容并聯(lián)在CAN通訊信號線和信號地線之間，濾除高頻差模干擾的電容，也稱為旁路電容。電感串聯(lián)在信號線上，扼制共模干擾電流。使用共模扼流圈則可以避免電感在流過較大電流時(shí)發(fā)生飽和，導(dǎo)致電感量下降。所有的信號線都要安裝濾波器，否則整體性能會(huì)大大下降。

LC濾波器中電感量和電容量的選擇對濾波器的效果影響很大，如果電容量和電感量選擇過小，則效果不明顯，如果選擇過大，會(huì)使工頻信號衰減，引起信號失真。在應(yīng)用中，CAN總線最高波特率為1Mbps，所以電容器的電容值選用1000pF，電感選用10μH的鐵氧體磁珠。

（2） 瞬態(tài)抑制二極管TVS

瞬態(tài)抑制二極管并聯(lián)在信號線和信號地線之間，用來保護(hù)電纜受到雷擊或靜電放電時(shí)產(chǎn)生的浪涌高壓。當(dāng)TVS上的電壓超過一定的幅度時(shí)，器件迅速導(dǎo)通，從而將浪涌能量泄放掉，并將電壓的幅度限制在一定的范圍內(nèi)。圖4中，每個(gè)信號線都使用了兩個(gè)TVS管BZX84C33進(jìn)行雙向保護(hù)，它的額定工作電壓為33V。

（3） 光電隔離

光電隔離是解決傳導(dǎo)干擾問題的理想方法，它具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。選擇光耦合器件時(shí)需要考慮兩個(gè)參數(shù)：傳輸延時(shí)（Propagation Delay）和共模抑制CMR（Common Mode Rejection），在傳輸延時(shí)滿足數(shù)據(jù)通訊波特率的情況下盡量選擇共模抑制能力高的型號。衡量光電耦合器共模抑制能力的方法為：輸出保持高（低）時(shí)可承受的最大共模電壓上升（下降）率CMH（CML）。

表1給出了安捷倫公司的三種光耦芯片的傳輸延時(shí)和CMR參數(shù)，三種器件的傳輸延時(shí)都小于100μs，可以滿足CAN總線通訊最高1M波特率的要求。本系統(tǒng)中選用了實(shí)際最常用的6N137。

使用光電隔離后，也必須使用電源隔離，系統(tǒng)選用了NME0505TM直流電源隔離器。

6 、電快速脈沖群實(shí)驗(yàn)

最后，通過試驗(yàn)測試了系統(tǒng)的抗瞬態(tài)干擾能力，試驗(yàn)過程符合GB/T 17626.4-1998：電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)，本標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-4:1995。試驗(yàn)由和利時(shí)公司完成。

試驗(yàn)方法是用快速瞬變脈沖群發(fā)生器產(chǎn)生干擾脈沖群，通過電容耦合夾將脈沖群干擾耦合到CAN總線通訊電纜，然后觀察主從站的工作情況，并接入基于PC機(jī)的監(jiān)聽站，將監(jiān)測到的報(bào)文數(shù)據(jù)寫入文本文件，然后分析數(shù)據(jù)的正確性。

試驗(yàn)中使用NS61000-4K脈沖群發(fā)生器，輸出電壓為0~4000V±10%，脈沖頻率為2.5kHz、5kHz、100kHz±10%，脈沖串長度為15ms±20%。

試驗(yàn)條件是用10米的總線長度接入五個(gè)從站，持續(xù)180秒加不同幅值的2.5kHz脈沖串干擾。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

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