CAN總線在勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)用中抗干擾分析

1、CAN總線在勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)用中抗干擾分析Anti-Interference Analyse on CAN Bus Application張興旺 程傳玲 黃賦光 （廣州電器科學(xué)研究院513000，廣州）摘要：本文從CAN總線傳輸?shù)脑沓霭l(fā)，用實(shí)測(cè)CAN總線波形的方法分析了影響CAN可靠傳輸?shù)囊蛩?，提出了CAN總線在應(yīng)用中抗干擾的硬件及軟件措施。該措的有效性在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：CAN總線，CAN總線波形 抗干擾 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁Abstract:The theory of CAN bus transmission is introduced. The factors effecting CAN

2、data transmission reliability are analysed by measuring the CAN bus waves.Hardware and software measures to eject interference in CAN bus application are put forward,of which effectivity is virified in practical application.key words: CAN bus, CAN bus waves, Anti-interference , excitation of generat

3、or0 引言 由于CAN總線具有通訊速率高、可靠性高、連接方便和性能價(jià)格比高等諸多特點(diǎn)，CAN的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)。在自動(dòng)化電子領(lǐng)域的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、建筑物環(huán)境控制、機(jī)床或電梯控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。CAN 的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為 8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短、受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點(diǎn)極其通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和檢錯(cuò)能力。CAN支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全

4、局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)則主動(dòng)停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。 在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境較差，干擾嚴(yán)重的情況下，如何提高CAN總線的抗干擾能力，使系統(tǒng)更可靠運(yùn)行，是設(shè)計(jì)者關(guān)注的重點(diǎn)。本文從CAN總線傳輸?shù)脑沓霭l(fā)，用實(shí)測(cè)CAN總線波形的方法分析了影響CAN可靠傳輸?shù)囊蛩兀岢隽薈AN總線在應(yīng)用中抗干擾的硬件及軟件措施。   1 CAN總線傳輸原理及波形特征每一個(gè)CAN驅(qū)動(dòng)芯片中有一成對(duì)的晶體管，各CAN站均無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，成對(duì)晶體管關(guān)閉，總線處于“隱性”

5、狀態(tài)，總線平均電壓由各CAN驅(qū)動(dòng)中具有高內(nèi)阻的電壓源產(chǎn)生（對(duì)應(yīng)于本文所研究的系統(tǒng)，這時(shí)總線電平為2.5V）。若成對(duì)晶體管至少有一個(gè)被接通，則顯性位被送到總線?？偩€可具有兩種邏輯狀態(tài)：“隱性”“顯性”，“隱性”狀態(tài)時(shí)總線差分電平近似為0，“顯性”狀態(tài)以大于最小閾值的差分電壓表示。圖1為在電力系統(tǒng)中一種發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置上的CAN站點(diǎn)分布圖，其中HMI是人機(jī)界面， IIU是智能對(duì)外接口， LOU是現(xiàn)地操作單元， REC1、REC2是大電流整流柜站， FCB是滅磁柜站。以下分析及波形實(shí)測(cè)都是基于該系統(tǒng)進(jìn)行的，該種設(shè)備已在多臺(tái)中、大型水、火電機(jī)組中實(shí)際運(yùn)行。 圖1 勵(lì)磁裝置CAN站點(diǎn)分布圖 在VCANL對(duì)

6、地共模電壓波形中，總線未被操作時(shí)平均電平約為2.5V,被單個(gè)站操作時(shí)電平下降約1V。在VCANH對(duì)地共模電壓波形中，總線未被操作時(shí)平均電平約為2.5V,被單個(gè)站操作時(shí)電平上升約1V。而在CAN總線間差分電壓波形中，總線未被操作時(shí)平均電平約為0V,被單個(gè)站操作時(shí)電平2V。如圖2。 圖2 CAN總線波形之一 仲裁期間，各個(gè)CAN站可以同時(shí)發(fā)送“顯性”位。此時(shí)總線電平超過(guò)單個(gè)CAN站工作期間的電平。見圖2中波形末尾高出的一個(gè)波形。2硬件抗干擾試驗(yàn)分析及措施2.1 終端電阻配置對(duì)CAN波形的影響CAN總線驅(qū)動(dòng)為電流型，因此總線間必須有終端電阻，為防止波形反射，一般在總線的兩端將加120歐的電阻，負(fù)載增

7、加，或終端電阻數(shù)量增加，都使總線上差分電壓下降，抗干擾能力顯然是下降的。在全站運(yùn)行時(shí)測(cè)試。2個(gè)終端電阻的情形，終端電阻加在REC1、FCB站，波形如圖3，波形高電平一般約為2.2V。如圖5。 圖3 CAN總線波形之二4個(gè)終端電阻的情形，終端電阻加在HMI、LOU、FCB、REC1站，波形高電平一般約為1.6V，如圖4。 圖4 CAN總線波形之三從實(shí)測(cè)波形可以看出，終端電阻個(gè)數(shù)增加，等效于CAN間的差分電阻變小，故總線上的差分電壓也是減小的，故其抗干擾能力下降。另一方面為防止波形反射，終端電阻應(yīng)加在CAN的的兩端。當(dāng)反射電壓波（總線差分電壓）在每個(gè)CAN站抑制低于0.9V顯性差分電平，或增加0.

8、5V隱性差分電平，都將導(dǎo)致CAN接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。2.2 電纜長(zhǎng)度對(duì)傳輸波形的影響CAN總線信號(hào)傳輸介質(zhì)使用特性阻抗為120歐姆的雙絞線，信號(hào)傳輸方式采用差動(dòng)發(fā)送和差動(dòng)接收的方式。理論上使用CAN2.0A總線的節(jié)點(diǎn)可達(dá)到2032個(gè)，CAN2.0B則可以達(dá)到5億多個(gè)。CAN系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)任意節(jié)點(diǎn)之間的最大傳輸距離與其位速率有關(guān)，位速率為1Mps時(shí)，最大總線長(zhǎng)度40米，位速率為500kps時(shí)，最大總線長(zhǎng)度130米，位速率為250ps時(shí)，最大總線長(zhǎng)度270米，位速率為125kps時(shí)，最大總線長(zhǎng)度530米。實(shí)際應(yīng)用中，考慮到現(xiàn)場(chǎng)干擾等因素，總線長(zhǎng)度一般不可能用到極限。以下測(cè)試是在位速率為125kbps時(shí)進(jìn)行的

9、。1）全站正常運(yùn)行波形，如圖5。 圖5 CAN總線波形之四2）全站正常運(yùn)行，屏蔽接地，由于環(huán)境無(wú)明顯干擾源，故總線波形無(wú)明顯影響。3）全站正常運(yùn)行，調(diào)節(jié)器至LOU站的總線由原來(lái)小于1米改為100米，波形如圖6。 圖6 CAN總線波形之五 4）調(diào)節(jié)器至LOU站：200米，REC1站至REC2站：100米，LOU站至IIU站：100米，波形如圖7。 圖7 CAN總線波形之六從圖5圖7可以看出，隨著電纜的加長(zhǎng)，波形畸變?cè)絽柡?，主要體現(xiàn)在波形的上升及下降沿的陡度上。若顯性電平下最小差分輸入電壓按0.9V計(jì)，當(dāng)電纜為大于400米時(shí)，上升沿達(dá)到0.9V的時(shí)間小于1us。若隱性電平下最大差分輸入電壓按0.5

10、V計(jì)，當(dāng)電纜為大于400米時(shí)，下升沿達(dá)到0.5V的時(shí)間小于1us。對(duì)應(yīng)于125KHz波特率下，位時(shí)間（Bite time）為8us,配置合適時(shí)，在這種情況下不影響總線運(yùn)行。在該狀況下運(yùn)行監(jiān)測(cè)2小時(shí)，未出CAN總線上數(shù)據(jù)不正常現(xiàn)象。23 現(xiàn)場(chǎng)抗干擾分析如圖1所示的CAN系統(tǒng)的勵(lì)磁裝置在某11萬(wàn)千瓦水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。CAN電纜采用雙絞線，長(zhǎng)度小于50米，從柜體下方的電纜溝中穿出地面后連接各柜中的CAN站。以下測(cè)試有CAN總線波特率為125K下進(jìn)行。圖8 為全站運(yùn)行，發(fā)電機(jī)不運(yùn)行的CAN總線波形圖8 CAN總線波形之七圖9 為全站運(yùn)行，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中的CAN總線波形圖9 CAN總線波形之

11、八圖 10 為全站運(yùn)行，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中的、CAN總線電纜屏蔽接地后CAN總線波形 圖10 CAN總線波形之九 圖9、圖10中的波形均為電平觸發(fā)方式捕到，二者相比，圖10中加了屏蔽電纜后，干擾數(shù)據(jù)的嚴(yán)重程度要小，另外捕獲波形的間隔看，未加屏蔽電纜時(shí)的間隔比加上屏蔽電纜接地時(shí)的間隔明顯偏小，可見前種情況比后種情況比，出現(xiàn)的幾率要大得多，這表明CAN總線加屏蔽電纜并接地后，其抗干擾能力大加強(qiáng)。圖8的波形中無(wú)明顯畸變，說(shuō)明在發(fā)電廠勵(lì)磁設(shè)備中CAN干擾主要來(lái)自大電流、高電壓，來(lái)自可控硅整流帶來(lái)的高次諧波。3 軟件抗干擾措施31 適當(dāng)降低波特率從2節(jié)對(duì)CAN波形分析知，波特率下降，CAN位時(shí)間增長(zhǎng)，對(duì)CA

12、N波形采樣時(shí)間也相應(yīng)加長(zhǎng)，躲過(guò)干擾的可能性也增大了。當(dāng)然，波特率的降低必須在滿足系統(tǒng)快速性的前提下進(jìn)行。32 加強(qiáng)校驗(yàn)雖然在CAN控制芯片MAC子層有下列錯(cuò)誤檢測(cè)功能：監(jiān)測(cè)、填充規(guī)則校驗(yàn)、幀校驗(yàn)、15位循環(huán)冗余碼校驗(yàn)和應(yīng)答校驗(yàn)，該校驗(yàn)基本保證了CAN層通訊數(shù)據(jù)的正確性，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，常常是使用專門的CAN功能芯片，CAN芯片與CPU之間還是通過(guò)串行或并行方式交換數(shù)據(jù)，在這一層里，若不加強(qiáng)校驗(yàn)，同樣可能使數(shù)據(jù)出錯(cuò)，所以在這一級(jí)同樣要加強(qiáng)校驗(yàn)，常用且有效的校驗(yàn)可選CRC校驗(yàn)，或是幾種校驗(yàn)的組合。這一項(xiàng)措施的有效性同樣在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。4 其它抗干擾措施在CAN系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)階段可采一些抗干擾措施，如在CAN控制芯片與CAN驅(qū)動(dòng)間加快速光隔隔離；在CAN驅(qū)動(dòng)級(jí)使用獨(dú)立的隔離電源；在CAN總線間加瞬變電壓吸收器等，均能提高CAN總線在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的抗干擾能力。5 結(jié)論在CAN實(shí)際應(yīng)用中，為使系統(tǒng)更可靠運(yùn)行，應(yīng)盡可能采取抗干擾措施，它包括保證CAN性能指標(biāo)滿足要求情況下采取的硬件抗干擾措施，及必要的軟件措施