什么是CAN總線?

CAN 是Controller Area Network 的縮寫(xiě)(以下稱為CAN)，是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對(duì)安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)了出來(lái)。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對(duì)可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過(guò)多個(gè)LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986 年德國(guó)電氣商博世公司開(kāi)發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議。此后，CAN 通過(guò)ISO11898 及ISO11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

CAN總線抗干擾需要遵守6條準(zhǔn)則

隨著CAN總線在電動(dòng)汽車、充電樁、電力電子、軌道交通等電磁環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合應(yīng)用越來(lái)越多，信號(hào)干擾的問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響到使用者對(duì)CAN總線的信任。究竟如何才能抗干擾?本文展示了致遠(yuǎn)電子CAN總線抗干擾的6條“軍規(guī)”。

在汽油車時(shí)代，CAN總線遇到的干擾少之又少，即使有一些繼電器和電磁閥的脈沖， 也不會(huì)有很大影響，稍微進(jìn)行雙絞處理，完全可以實(shí)現(xiàn)零錯(cuò)誤幀。

可是到了電動(dòng)汽車年代，逆變器、電動(dòng)機(jī)、充電機(jī)等大功率設(shè)備對(duì)CAN的影響足以中斷通訊，或者損壞CAN節(jié)點(diǎn)，如圖1圖2所示，就是被逆變器干擾的CAN波形。

面對(duì)干擾，各個(gè)汽車廠、零部件廠，測(cè)試診斷設(shè)備的廠商都紛紛研究抗干擾之“妙方”，以保證CAN穩(wěn)定運(yùn)行。本文就以廣州致遠(yuǎn)電子有限公司15年的CAN現(xiàn)場(chǎng)故障排查經(jīng)驗(yàn)，介紹抗干擾6條“軍規(guī)”。

1.CAN接口增加隔離與保護(hù)

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條“軍規(guī)”。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，保護(hù)控制器不死機(jī)。如圖3所示，為未隔離時(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。

而增加CTM1051KAT隔離模塊后，如圖4和圖5所示。隔絕了地回流，限制了干擾幅度。

增加隔離后，是否萬(wàn)事大吉了?肯定不是，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6所示，為致遠(yuǎn)電子高速總線標(biāo)準(zhǔn)防浪涌保護(hù)電路。

此保護(hù)電路可達(dá)4KV浪涌而不損壞，不過(guò)注意如果要通過(guò)2500VDC耐壓測(cè)試時(shí)，需要將GDT和R3拆除，防止高壓擊穿導(dǎo)致測(cè)試不通過(guò)。

2. CAN線提高雙絞程度

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7所示。

可是，這種抗干擾能力，必須的條件是，CANH和CANL要很緊密地靠在一起，否則受到的干擾強(qiáng)度就不一樣，就會(huì)導(dǎo)致差分信號(hào)受到干擾。所以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，雙絞程度要超過(guò)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0.35~0.5 mm2 ，CAN_H對(duì)CAN_L的線間電容小于75 pF/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110 pF/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。

3. 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25 mm 的電纜不用雙絞。

較好的CAN屏蔽線帶有2層屏蔽層，稱為雙層屏蔽線，其中內(nèi)層的CAN_GND是與CAN收發(fā)器的地連接，外層的Shield是與外殼大地相連。內(nèi)層可以平衡信號(hào)的地電位，抑制共模干擾，減少錯(cuò)誤幀，但強(qiáng)干擾時(shí)收發(fā)器損壞率會(huì)提高;外層可以泄放電荷到大地，如圖10所示。

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。通常來(lái)說(shuō)，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)、多點(diǎn)接地可以加快高頻干擾信號(hào)的泄放。所以要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的接地方式。如圖11所示。

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。

4. 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12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。

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。

5. 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13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。

磁環(huán)的效果可以大大削減特定頻率的干擾強(qiáng)度，在增加磁環(huán)前，需要用CANScope或者示波器FFT快速傅里葉變化功能，測(cè)試出最高干擾的頻率，然后向磁環(huán)廠家定制對(duì)應(yīng)頻率的磁環(huán)。如圖14所示。為增加磁環(huán)前和增加磁環(huán)后的FFT的結(jié)果。可以看出干擾強(qiáng)度明顯減小。

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。

6. CAN轉(zhuǎn)為光纖傳輸

抗干擾的終極手段就是把CAN轉(zhuǎn)化為光纖傳輸，光纖是一種無(wú)法被電磁干擾的傳輸介質(zhì)。如果前5種抗干擾手段均無(wú)法解決干擾問(wèn)題，可以把CAN轉(zhuǎn)化為光纖，實(shí)現(xiàn)“無(wú)懈可擊”。如圖15所示。為使用致遠(yuǎn)電子的CANHub-AF1S1和CANHub-AF2S2組合的光纖主干網(wǎng)絡(luò)。