控制設備CAN總線傳輸的可靠性研究

張穎輝，王治國，張琳雅

?

控制設備CAN總線傳輸的可靠性研究

張穎輝1，王治國1，張琳雅2

(1.武漢船用電力推進裝置研究所, 武漢 430064; 2. 河北工業大學電氣工程學院, 天津 300130）

CAN通訊在船用電力推進系統變頻控制設備中廣泛應用，由于工作環境比較惡劣和復雜，系統內部和外部的各種電氣干擾都會對CAN通訊數據的傳輸可靠性造成影響。本文分析了影響CAN通訊可靠性的主要原因，提出了針對性的措施，并在實驗中進行了驗證。

控制設備 CAN總線傳輸 可靠性

0 引言

CAN，全稱為“ Controller Area Network”，即控制器局域網，廣泛應用于工業設備控制領域，能有效地支持具有很高安全等級的分布實時控制，其傳輸速度可達1 Mbit/s[1]。

目前我們自主研制的船用電力推進系統變頻控制裝置大多采用CAN通訊進行信息交互，CAN通訊的可靠性對船用電力推進系統的可靠運行起著至關重要的作用，船用電力推進系統的工作環境是比較惡劣和復雜的，系統內部和外部的各種電氣干擾都會對CAN通訊數據的傳輸造成影響。故障頻發會導致整個系統的不穩定甚至癱瘓，提高控制設備CAN總線傳輸的可靠性至關重要。

1 影響CAN總線傳輸可靠性的原因分析

CAN是一種多主方式的串行通訊總線，網絡構成形式為總線式，終端電阻安裝于網絡兩端，示意圖如圖1所示。與一般的通信總線相比，CAN總線在數據通信上具有突出的可靠性、實時性和靈活性，但實際的工程應用過程中，通信數據受許多因素的影響，可能致使傳輸的波形失真，達不到預期的效果。實際設備中可能影響CAN通訊可靠性的主要原因分析如下：

1) 供電電源電壓的影響

通訊芯片的工作電壓VCC需保證在其標稱工作電壓范圍內，若VCC不穩定，甚至出現大的波動，則會出現數據中斷或波形失真。

2) 傳輸通訊導線的選擇及接法的影響

CAN總線的通訊數據傳輸中一般選用普通屏蔽線或屏蔽雙絞線作為傳輸介質，通訊導線的選擇和接法不合理會引入外部的電磁干擾，導致丟幀或誤碼。

3) CAN節點之間的通訊地電位相差過大的影響

在實際工程應用中，由于現場條件的限制，進行CAN通訊的變頻控制設備間可能存在較大的地電位差，甚至有的設備是浮地的，各個節點之間的電位差會導致通訊不穩定甚至通訊失敗。

4) 總線終端電阻不匹配的影響

控制設備CAN總線拓撲結構主要采用美國國家標準SAE1939規定的網絡拓撲結構，如圖1所示，CAN通訊終端節點需匹配合適的終端電阻，否則影響通訊的可靠性和抗擾度。

2 提高控制設備CAN總線傳輸的可靠性的幾點措施

通訊電路中CAN收發器選用尤為重要，PHILIPS的高速CAN收發器TJA1040，具有速率高、低功耗、電磁性能優越等特點，自檢錯能力強，還可工作于睡眠模式，其標稱的工作電壓范圍為4.75～5.25 V。

1) 提高通訊芯片供電電源電壓穩定性

在設計中需采用專用電源芯片供電，提高供電電壓的穩定性，同時在允許范圍內盡量提高供電電平，增強驅動能力和抗擾度。

2) 通訊導線的選擇及接法不合理

CAN總線的通訊數據傳輸中一般選用普通屏蔽線或屏蔽雙絞線作為傳輸介質。

本測試試驗中選用變頻控制器作為受試設備，模擬現場工作方式，通過上位機測試軟件進行數據監測，借助于電磁干擾儀，將通訊線纜用軟銅箔包裹，以施加強電磁干擾脈沖CAN通訊線路。如圖2所示。

分別選用普通2芯屏蔽線、普通3芯屏蔽線和屏蔽雙絞線作為通訊導線，不同的接地方式下，對試驗現象進行了統計。統計結果見下表1。

試驗結果表明：普通3芯屏蔽線兩端接地的連接方式在抗擾度方面優于其他幾種連接方式，即設備之間的CAN通訊導線采用3芯屏蔽線，并將線纜的屏蔽層兩端分別與第三根線的兩端相連接，再將線纜兩端牢固接機殼地。

3) CAN節點之間的通訊地電位相差過大

對此種情況進行了模擬測試，具體方法如下。在進行CAN通訊的兩相鄰設備的通訊地之間施加一個直流電源，緩慢增大該電源輸出電壓，記錄當CAN通訊失敗時的電壓。

將變頻控制器的CAN接口與另一控制設備的CAN接口連接，通訊正常，在變頻控制器的CAN電源地與另一控制設備的CAN電源地之間串入直流電壓源，緩慢從0 V增加電壓，到10 V時示波器觀測可看到CANH與CANL的通訊波形開始出現尖峰毛刺，隨著電壓的增大毛刺的尖峰幅值越來越大，當電壓加到30 V時，報通訊故障，此時毛刺的幅值為6.64 V。示波器觀測的測試波形如圖3所示。

反復上述過程，均在30 V左右時通訊癱瘓。

在CAN通訊網絡的各個節點處的直流供電電源地與機殼地之間串入1 MΩ的電阻，再次進行前面所述實驗，即在進行CAN通訊的兩相鄰設備的通訊地之間施加一個電源，緩慢增大該電源，輸入為30 V電壓時，CAN通訊正常，升高電壓到40 V時亦正常。用數字萬用表檢測發現，相鄰兩節點的通訊地之間的電壓差只有1 V。

4)總線終端電阻不匹配；

按照ISO11898標準規定，CAN總線終端必須按照通訊導線的特性阻抗，采用匹配電阻，阻值為100～150 Ω之間，典型值為120 Ω[2]。

目前我們采用的CAN總線的傳輸物理介質為屏蔽雙絞線或普通屏蔽電纜，通經過查閱電纜手冊以及相應的公式計算可得出，屏蔽雙絞線或普通屏蔽電纜的電纜特性與總線長度以及位速率的關系如下表2所示。

電阻匹配的一般形式為整體電阻匹配[3]，即直接采用一個120 Ω左右的電阻接在總線終端的CANH和CANL之間。為了提高抗共模干擾和電磁干擾能力，采用改良的電阻匹配形式一分裂電阻匹配。同時，各個分支節點處為減小駐波，減小共模干擾，也需要有合適的匹配電阻。

按照目前決定采用的通訊導線的特性阻抗，CAN網絡采用如圖4所示的匹配方式，在網絡各個分支節點處選用兩個1 kΩ的匹配電阻；若為網絡終端節點處則選用終端電阻，采用分布式接法，選用兩個62Ω的電阻，同時，各節點處均采用47 nF電容進行濾波。

3 提高CAN通訊傳輸可靠性的其他鞏固措施

制定CAN通訊協議標準，規范設計；使用直徑更粗通訊線纜，減小通訊導線電阻，從而減少傳輸損耗；選用分布電容較小的通訊線纜，降低分布電容對同步位相位的影響；在CANH和CANL之間并聯一對方向相反的瞬態二極管D1、D2，可防雷擊，以及防止其他總線上的瞬變干擾；在CANH和CANL接口處接共模電感和濾波電容，濾除接口處的高頻共模干擾。接口處的設計如下圖5所示。

[1] 杜洪亮，張培仁，王亮，崔軍輝. CAN總線遠程傳輸可靠性的設計方法和實現[J]. 電子技術.

[2] 劉濤. CAN總線接口中的關鍵問題[J]. 工況自動化，2007.

[3] CAN總線應用匹配設計[J]. 計算機與網絡，2011, (2):38-41.

Research on the Reliability of CAN-bus Communication

Zhang Yinghui1, Wang Zhiguo1, Zhang Linya2

(1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Electric Engineering of Hebei University of Technology, Tianjing 300130, China)

TN911.5

A

1003-4862（2014）09-0055-03

2014-07-15

國家科技支撐計劃項目（2012BAG03B01）

張穎輝（1983-），女，工程師。研究方向：船用電力推進變頻裝置控制硬件設計。