一種特殊用途的控制器局域網用數據總線電纜的研制

張立偉

（南京全信傳輸科技股份有限公司，南京 211113）

1 引言

現(xiàn)場總線（Field Bus）技術是采用一條通信線路將所有設備串聯(lián)起來（即串行通信方式），每個設備控制單元靠標識碼參與信息交換與命令傳遞，避免了DCS（集散控制系統(tǒng)）方式的星形布線量大、通信距離短等固有性質所造成的各種麻煩?？梢哉f，現(xiàn)場總線技術在工業(yè)過程控制領域的成功應用，是自動化領域技術進步的一個重要里程碑。應用成熟的總線技術，用一根雙絞總線電纜代替原有的眾多信號線，大大簡化信號線的布線復雜性，減少連接電纜的種類和數量，節(jié)約制造成本。

受用戶單位委托接到科研項目任務，為某重點工程項目配套而研制一種控制器局域網用數據總線電纜。電纜要求：除要達到總規(guī)范CAN總線技術指標要求，同時還要具有外徑小，重量輕，可靠性高，具有耐磨、抗拉、低溫柔軟等特性。而且適用于耐腐蝕性等海洋氣候。

具體技術指標如表1。

表1 技術協(xié)議指標要求

2 方案設計

2.1 設計依據及原理

根據技術協(xié)議內容和參照總規(guī)范ISO 11898-1995道路車輛的高速控制局域網數字交換標準中關于物理傳輸介質的有關規(guī)定，進行如下思路設計：

（1）按照總規(guī)范要求，傳輸電纜采用CAN_H和CAN_L雙導體結構，電纜選擇兩芯雙絞結構。

（2）阻抗的要求范圍120?±12?。（3）雙絞電纜外需要總屏蔽層。

（4）根據技術協(xié)議要求直流環(huán)阻不大于 186歐姆/公里，根據用戶使用情況，選擇0.2mm2截面。

（5）根據XXX工程使用要求，要求產品耐磨損性好，外徑小，重量輕，可靠性高，具有低溫柔軟性，適應航空航天系統(tǒng)環(huán)境要求，且耐腐蝕性等海洋氣候。

2.2 結構圖設計

根據以上設計思路確定了兩種設計方案，結構圖見圖1所示。

圖1 方案一結構示意圖

圖2 方案二結構示意圖

2.3 結構尺寸設計

（1）結構形式對比見表2。

根據以上方案的結構，計算的綜合介電常數基本相同，電性能參數亦基本相同，并都能滿足技術協(xié)議要求；方案一在電性能，尤其是衰減方面稍微具有優(yōu)勢。

（2）兩種方案的結構設計及性能計算（見表3～4）。

2.4 方案優(yōu)缺點分析比較

課題組對上述兩種設計方案進行了充分地論證，比較方案的優(yōu)點和局限性如下：

表2 方案對比

表3 方案一的結構尺寸

表4 方案二的結構尺寸

方案一優(yōu)點：在具備高精度物理發(fā)泡擠出設備的情況下，適于大批量生產，產品一致性較好。設計出的電纜外徑可以進一步減小，衰減等指標可以更優(yōu)。

方案一局限性：需要高精度物理發(fā)泡擠出設備，經走訪查詢，國內具有擠出如此小外徑的物理發(fā)泡設備不多，而且調試較好并穩(wěn)定運行的更少。實施的可行性較差。許多廠家采用化學發(fā)泡的方法擠出代替，產品穩(wěn)定性不易保證。產品絕緣為發(fā)泡結構，反復彎曲后出現(xiàn)壓痕，造成結構變形，電氣性能方面受到影響。適于固定使用。

方案二優(yōu)點：在目前擠出設備條件的情況下，加工相對容易。結構中由于內層聚乙烯絕緣和聚乙烯管在擠出中粘接性較好，結構比較穩(wěn)定，多次彎曲后結構不易變形，適于移動場合使用。

方案二局限性：結構相對復雜，技術操作工人需要較高的擠出加工經驗，設計專用擠管模具。

課題組經過認真分析、研究，并聽取有關電纜專家的建議，確定在第二種方案基礎上進行部分調整、精心設計，以滿足要求。

3 參數計算

3.1 直流環(huán)阻R0

公式

其中，ρ為20℃時導電材料電阻系數?mm2/m；L為導線長度m，取1km；λ1為線芯絞入率，λ1取1.01；λ2為對絞絞入率，單根導線λ2取1.0；雙絞線λ2取1.01；S為導電線芯截面mm2。

3.2 絕緣電阻R i

公式其中，ρV為20℃時絕緣材料體積電阻系數?·cm，ρv取1017?·cm；L為電纜長度km，取1km；D為絕緣外徑（mm）；d為導體線芯直徑（mm）。

3.3 試驗電壓V試

公式

其中，E為最大允許的電場強度 kV/cm，取140kV/cm；d。為導電線芯直徑mm；D。為絕緣單線外徑mm；K1為導電線芯有效直徑系數；K3為電壓梯度系數。

3.4 電容

公式

其中，rε為相對介電常數；d為導電線芯直徑mm；K1為導電線芯有效直徑系數；K2為絞入率；a為兩線芯之間中心距mm； 'D為屏蔽內徑mm。

3.5 阻抗

其中，d為內導體直徑，a為兩導體中心距mm；Dε為相對介電常數；K3為編織引起的系數，一般取0.98～0.99；DS為屏蔽內徑mm；

3.6 衰減

其中，f為頻率（Hz）；de為絞線導體電氣等效直徑mm，de=K1d，K1內導體有效直徑系數。d為絞線導體的外徑（mm）；Ds為屏蔽內徑（mm）；a為對稱電纜導體的中心距mm；Dε為相對介電常數；Dtgδ為等效介質損耗角正切值；Kρ1，Kρ2為內、外導體相對標準軟銅電阻系數。Ks為絞線導體的電阻系數（一般取 1.25）；KB為外導體為編織時，引起射頻增大編織效應系數；K3為編織對阻抗的影響系數，一般取0.98～0.99。

3.7 延遲時間

Dε為相對介電常數

3.8 其他

拉斷力、重量等指標等均能滿足技術協(xié)議要求。

4 結果

4.1 計算數據

導體7/0.2；絕緣外徑1.5mm；導體間距1.5mm；絞入率1.01；絕緣管外徑（即屏蔽內徑）3.8mm；首先按并聯(lián)計算，電纜對絞線芯后等效介電常數：ε=1.75；然后再按串聯(lián)計算，電纜擠出絕緣管后的等效介電常數：ε=1.95。不同頻率下電性能參數見表5。

表5 不同頻率下的電性能參數

4.2 測試結果

國內未見有生產該類產品的廠家，目前國外德國LAPPKABLE公司有類似產品，但結構和本項目產品完全不同。性能指標對比見表6。

表6 設計的產品與國外樣品對比表

5 結論

（1）由于該產品采用獨特結構設計，滿足特殊使用環(huán)境要求。

（2）該產品結構及其穩(wěn)定，2000次反復彎曲后無任何變形及壓痕，電氣性能良好，而國外產品為方案一的類似結構，經過幾次彎曲后絕緣表面即有明顯痕跡。

（3）經權威信息技術研究所國內、外查新檢索表明：在國內沒有發(fā)現(xiàn)與本產品相同或相似的總線電纜。并已經申報國家實用新型專利。

（4）國外該類總線電纜結構上與本項目產品完全不同，僅僅是為汽車行業(yè)配套使用的，不適于特殊領域高可靠性等特殊環(huán)境要求。

（5）項目產品基于控制器局域網總線制提供一種耐低溫、柔軟性好、彎曲壽命長、阻抗電容等穩(wěn)定性好、衰減低，而且體積小、重量輕的總線電纜。

（6）該產品經用戶測試和使用，達到技術協(xié)議指標，滿足使用要求，感覺比較滿意。