CAN總線的電氣保護(hù)

陳曉東

(川慶鉆探工程公司測(cè)井公司 重慶)

CAN總線的電氣保護(hù)

陳曉東

(川慶鉆探工程公司測(cè)井公司 重慶)

文章介紹了石油鉆井儀表中CAN總線通訊電路電氣保護(hù)的運(yùn)用,對(duì)設(shè)計(jì)方案、硬件原理作了詳盡論述,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況,作了針對(duì)性改進(jìn)完善的介紹。

鉆井儀表;電氣保護(hù);CAN

0 引 言

石油鉆井作業(yè)中工況條件十分惡劣,各種電磁干擾對(duì)鉆井參數(shù)儀表數(shù)據(jù)采集的正常工作有嚴(yán)重的影響,對(duì)儀表系統(tǒng)是極大的威脅,非常容易導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。為了最大程度地保證儀表系統(tǒng)正常工作,采取電氣保護(hù)措施是必要的手段。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 電氣隔離措施

通信電纜是儀表系統(tǒng)中受干擾最大的部分,而且各種干擾也極容易順通信電纜進(jìn)入系統(tǒng),從而引起系統(tǒng)的工作不正常。為了切斷這條干擾途徑,保護(hù)CAN控制器,總線控制器SJA1000未與PCA82C250直接相連[1],而是通過(guò)光電隔離器6N137相連接,這樣可很好地實(shí)現(xiàn)總線上各節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離,提高節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。但要真正實(shí)現(xiàn)隔離,就必須在光電隔離器輸入和輸出端采用兩個(gè)完全隔離的電源,如圖1節(jié)點(diǎn)中的DC/DC模塊輸出的兩組+5 VDC電源VDD、VCC。

圖1 CAN通訊電路

1.2 CAN總線增加保護(hù)器件

當(dāng)發(fā)生雷擊或其他強(qiáng)烈干擾時(shí),巨大的能量如果來(lái)不及泄放,就會(huì)損壞收發(fā)器。為了防止干擾對(duì)收發(fā)器的損壞,第一階段在電路上做了如下處理:PCA82C250的CANH和CANL引腳各自通過(guò)一個(gè)5Ω的電阻與CAN總線相連,電阻可起到一定的限流作用,從而保護(hù)PCA82C250免受過(guò)流的沖擊。在CANH和CANL與地之間各自接一個(gè)30 pF的小電容,可以起到濾除總線上的高頻干擾和防電磁輻射的作用。另外,在CANH和CANL之間并聯(lián)一個(gè)6.8 V的瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS:1.5KE6.8CA)[2],可以保護(hù)PCA80C250在瞬間高電壓情況下不受損壞。

經(jīng)過(guò)第一階段的試驗(yàn),又做了更進(jìn)一步完善,TVS雖然可以將雷擊電壓一次鉗制到芯片可以承受的水平,但是不能承受大的雷擊能量,因此必須增加防雷管(TED485)[3]做兩級(jí)總線防護(hù)。當(dāng)受到雷擊時(shí),感應(yīng)過(guò)電壓由通訊線兩端引入,并接在總線上的防雷管將能量泄放掉,BC2與BC3進(jìn)行共模防護(hù),BC1進(jìn)行差模防護(hù)。但是一般情況下,防雷管的反應(yīng)速度慢,鉗位電壓高(約為500 V),因此本設(shè)計(jì)中,在防雷管后增加了TVS和PTC電阻。PTC電阻限流,TVS二次限壓,能夠?qū)⒖偩€的壓差鉗制在6.8 V以下,這樣當(dāng)受到干擾時(shí),TVS能較快地起到保護(hù)作用;而PTC電阻能保護(hù)收發(fā)器免受過(guò)流的沖擊。在CAN H和CAN L與地之間各自接一個(gè)30 pF的小電容,可以起到濾除總線上的高頻干擾和防電磁輻射的作用。CAN收發(fā)器電氣保護(hù)原理如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的CAN通訊電路

2 結(jié)束語(yǔ)

鉆井參數(shù)儀表CAN總線通訊電路增加保護(hù)電路,最大可能地保證通信的可靠性,且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn),能完全滿足鉆井現(xiàn)場(chǎng)惡劣工況的實(shí)際需要。

[1] 史久根,張培仁,陳真勇.CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社.2004

[2] 周志敏.TVS瞬態(tài)干擾抑制器性能與應(yīng)用[M].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用,2003,2(3)

[3] 陳克明.電力(電子)通訊系統(tǒng)用的防雷電過(guò)壓保護(hù)器件——放電管及其應(yīng)用[M].電訊技術(shù),1998,38(5)

TN91

B

1004-9134(2011)01-0093-02

陳曉東,男,1966年生,高級(jí)工程師,1988年畢業(yè)于西南石油學(xué)院物探專業(yè),現(xiàn)在川慶鉆探工程公司測(cè)井公司從事石油鉆井儀表的研發(fā)工作。郵編:400021

2010-07-01編輯:姜 婷)