【導(dǎo)讀】CAN(Control Area Network)總線(xiàn)最初是一種為汽車(chē)車(chē)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(xiàn),由德國(guó)BOSCH公司和美國(guó)INTEL公司在20世紀(jì)80年代末期開(kāi)發(fā)成功,并于1993年成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898。
CAN的目的是用多點(diǎn)、串行數(shù)字通訊技術(shù)取代常規(guī)的直接導(dǎo)線(xiàn)信號(hào)連接,可以節(jié)省大量車(chē)載設(shè)備的電纜布線(xiàn)。由于CAN總線(xiàn)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(cè)控領(lǐng)域也獲得廣泛應(yīng)用。但是,工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣,電磁干擾較為嚴(yán)重,如何保證CAN總線(xiàn)通訊的可靠性尤為重要。
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(xiàn)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(guò)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(guò)它向主站發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。
圖1:CANsmc應(yīng)用示意圖
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(xiàn),插入PC機(jī)控制單元。從站控制卡是嵌入式的CAN總線(xiàn)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。
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(duì)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(guó)際上已經(jīng)開(kāi)始對(duì)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(duì)外界產(chǎn)生不良的電磁干擾EMI(Electro Magnetic Interference)影響,稱(chēng)為電磁干擾發(fā)射;另一個(gè)是對(duì)外界電磁信號(hào)的敏感程度,稱(chēng)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。
圖2:電磁兼容的內(nèi)容
如圖2所示,電磁干擾信號(hào)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(hào)線(xiàn)(包括信號(hào)線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)和電源線(xiàn)等)和地線(xiàn)之間,而差模干擾存在于信號(hào)線(xiàn)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(duì)輻射性耦合使用屏蔽技術(shù)加以抑制、對(duì)傳導(dǎo)耦合采取濾波技術(shù)加以抑制。
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(duì)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(xiàn)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(kāi),使相互間的信號(hào)耦合為最小。
(2) 合理布局地線(xiàn),降低地線(xiàn)阻抗
地線(xiàn)電平是所有信號(hào)的參考電位。理想狀態(tài)下,電路板上所有的地線(xiàn)應(yīng)該等電位,但是由于地線(xiàn)阻抗的存在導(dǎo)致地線(xiàn)各點(diǎn)電位有差異,所以應(yīng)該盡量減小地線(xiàn)阻抗。最有效的辦法是做多層板,在中間專(zhuān)門(mén)設(shè)置一層地線(xiàn)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(xiàn)面布置了盡量多的平行地線(xiàn),一面是水平線(xiàn),一面是垂直線(xiàn),然后在它們交叉的地方用過(guò)孔連接起來(lái),形成地線(xiàn)網(wǎng)格,可以獲得幾乎和多層板相同的效果。
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(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(kāi)關(guān)電源供電,在電源線(xiàn)的入口處都放置了電容低通濾波器,以過(guò)濾電源中的高頻毛刺。
電路中邏輯門(mén)輸出狀態(tài)切換時(shí)的瞬時(shí)效應(yīng)、電源線(xiàn)阻抗的存在等不理想狀態(tài)會(huì)使電源線(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)格來(lái)減小電源線(xiàn)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(xiàn)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(duì)芯片的供電回路面積盡量小,容量為470~1000pF。對(duì)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(duì)電源系統(tǒng)的擾動(dòng),在電源線(xiàn)入口處安裝了一個(gè)二級(jí)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(hào)線(xiàn)間串?dāng)_
電路板信號(hào)線(xiàn)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(hào)線(xiàn)。減小串?dāng)_,不僅要降低線(xiàn)路的電感,還要關(guān)注信號(hào)回流線(xiàn),使回路面積最小。
在布線(xiàn)時(shí),盡量控制走線(xiàn)的長(zhǎng)度,加大線(xiàn)路的寬度和線(xiàn)間距離,以減小線(xiàn)路的電感。使用地線(xiàn)網(wǎng)格也可以使信號(hào)線(xiàn)回流面積減小,也減小了信號(hào)之間的互相耦合。重要信號(hào)線(xiàn)和地線(xiàn)之間安裝濾波電容,以提高信號(hào)質(zhì)量。高頻時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)用地線(xiàn)隔離,以避免和其它信號(hào)線(xiàn)耦合。
電磁輻射和電磁屏蔽
電磁屏蔽是解決電磁兼容問(wèn)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(lái)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(xiàn)電纜具有很強(qiáng)的干擾輻射和干擾接收能力。電場(chǎng)在電纜中感應(yīng)出共模電壓,而磁場(chǎng)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(guò)屏蔽可以將電磁場(chǎng)的感應(yīng)干擾降低到最小,而使用雙絞線(xiàn)則進(jìn)一步抑制了磁場(chǎng)感應(yīng)的差模電壓。雙絞線(xiàn)的兩根線(xiàn)之間具有很小的回路面積,而且雙絞線(xiàn)的每?jī)蓚€(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(xiàn)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(xiàn)之間的串?dāng)_,應(yīng)該將兩組雙絞線(xiàn)分別屏蔽,電纜中不使用的導(dǎo)線(xiàn)接到信號(hào)地。
圖3:屏蔽雙絞線(xiàn)對(duì)電磁干擾的抑制
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。
傳導(dǎo)干擾和信號(hào)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(kāi)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(kāi)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(xiàn)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(xiàn)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。
圖4:CANsmc濾波隔離電路圖
(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(xiàn)電纜中傳導(dǎo)的各種高頻干擾信號(hào)。LC濾波器的電容并聯(lián)在CAN通訊信號(hào)線(xiàn)和信號(hào)地線(xiàn)之間,濾除高頻差模干擾的電容,也稱(chēng)為旁路電容。電感串聯(lián)在信號(hào)線(xiàn)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(guò)較大電流時(shí)發(fā)生飽和,導(dǎo)致電感量下降。所有的信號(hào)線(xiàn)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(duì)濾波器的效果影響很大,如果電容量和電感量選擇過(guò)小,則效果不明顯,如果選擇過(guò)大,會(huì)使工頻信號(hào)衰減,引起信號(hào)失真。在應(yīng)用中,CAN總線(xiàn)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(hào)線(xiàn)和信號(hào)地線(xiàn)之間,用來(lái)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(guò)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(hào)線(xiàn)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(wèn)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(mǎn)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(hào)。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)。