控制設(shè)備CAN總線傳輸?shù)目煽啃匝芯?/h1>
2014-05-07 01:34:14張穎輝王治國張琳雅
船電技術(shù) 2014年9期 關(guān)鍵詞：設(shè)備
張穎輝，王治國，張琳雅
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控制設(shè)備CAN總線傳輸?shù)目煽啃匝芯?/p>
張穎輝1，王治國1，張琳雅2
(1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所, 武漢 430064; 2. 河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院, 天津 300130）
CAN通訊在船用電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻控制設(shè)備中廣泛應(yīng)用，由于工作環(huán)境比較惡劣和復(fù)雜，系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾都會對CAN通訊數(shù)據(jù)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(jìn)行了驗證。
控制設(shè)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(wǎng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備控制領(lǐng)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(dá)1 Mbit/s[1]。
目前我們自主研制的船用電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻控制裝置大多采用CAN通訊進(jìn)行信息交互，CAN通訊的可靠性對船用電力推進(jìn)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，船用電力推進(jìn)系統(tǒng)的工作環(huán)境是比較惡劣和復(fù)雜的，系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾都會對CAN通訊數(shù)據(jù)的傳輸造成影響。故障頻發(fā)會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至癱瘓，提高控制設(shè)備CAN總線傳輸?shù)目煽啃灾陵P(guān)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(wǎng)絡(luò)構(gòu)成形式為總線式，終端電阻安裝于網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)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(yīng)用過程中，通信數(shù)據(jù)受許多因素的影響，可能致使傳輸?shù)牟ㄐ问д妫_(dá)不到預(yù)期的效果。實際設(shè)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(biāo)稱工作電壓范圍內(nèi)，若VCC不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)大的波動，則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷或波形失真。
2) 傳輸通訊導(dǎo)線的選擇及接法的影響
CAN總線的通訊數(shù)據(jù)傳輸中一般選用普通屏蔽線或屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，通訊導(dǎo)線的選擇和接法不合理會引入外部的電磁干擾，導(dǎo)致丟幀或誤碼。
3) CAN節(jié)點(diǎn)之間的通訊地電位相差過大的影響
在實際工程應(yīng)用中，由于現(xiàn)場條件的限制，進(jìn)行CAN通訊的變頻控制設(shè)備間可能存在較大的地電位差，甚至有的設(shè)備是浮地的，各個節(jié)點(diǎn)之間的電位差會導(dǎo)致通訊不穩(wěn)定甚至通訊失敗。
4) 總線終端電阻不匹配的影響
控制設(shè)備CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)SAE1939規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，CAN通訊終端節(jié)點(diǎn)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(shè)備CAN總線傳輸?shù)目煽啃缘膸c(diǎn)措施
通訊電路中CAN收發(fā)器選用尤為重要，PHILIPS的高速CAN收發(fā)器TJA1040，具有速率高、低功耗、電磁性能優(yōu)越等特點(diǎn)，自檢錯能力強(qiáng)，還可工作于睡眠模式，其標(biāo)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(wěn)定性
在設(shè)計中需采用專用電源芯片供電，提高供電電壓的穩(wěn)定性，同時在允許范圍內(nèi)盡量提高供電電平，增強(qiáng)驅(qū)動能力和抗擾度。
2) 通訊導(dǎo)線的選擇及接法不合理
CAN總線的通訊數(shù)據(jù)傳輸中一般選用普通屏蔽線或屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)。
本測試試驗中選用變頻控制器作為受試設(shè)備，模擬現(xiàn)場工作方式，通過上位機(jī)測試軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，借助于電磁干擾儀，將通訊線纜用軟銅箔包裹，以施加強(qiáng)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(dǎo)線，不同的接地方式下，對試驗現(xiàn)象進(jìn)行了統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果見下表1。
試驗結(jié)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(yōu)于其他幾種連接方式，即設(shè)備之間的CAN通訊導(dǎo)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(jī)殼地。
3) CAN節(jié)點(diǎn)之間的通訊地電位相差過大
對此種情況進(jìn)行了模擬測試，具體方法如下。在進(jìn)行CAN通訊的兩相鄰設(shè)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(dāng)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(shè)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(shè)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(xiàn)尖峰毛刺，隨著電壓的增大毛刺的尖峰幅值越來越大，當(dāng)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(fù)上述過程，均在30 V左右時通訊癱瘓。
在CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點(diǎn)處的直流供電電源地與機(jī)殼地之間串入1 MΩ的電阻，再次進(jìn)行前面所述實驗，即在進(jìn)行CAN通訊的兩相鄰設(shè)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(shù)字萬用表檢測發(fā)現(xiàn)，相鄰兩節(jié)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，CAN總線終端必須按照通訊導(dǎo)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(zhì)為屏蔽雙絞線或普通屏蔽電纜，通經(jīng)過查閱電纜手冊以及相應(yīng)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(guān)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(jié)點(diǎn)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(dǎo)線的特性阻抗，CAN網(wǎng)絡(luò)采用如圖4所示的匹配方式，在網(wǎng)絡(luò)各個分支節(jié)點(diǎn)處選用兩個1 kΩ的匹配電阻；若為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)處均采用47 nF電容進(jìn)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(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范設(shè)計；使用直徑更粗通訊線纜，減小通訊導(dǎo)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(lián)一對方向相反的瞬態(tài)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(shè)計如下圖5所示。
[1] 杜洪亮，張培仁，王亮，崔軍輝. CAN總線遠(yuǎn)程傳輸可靠性的設(shè)計方法和實現(xiàn)[J]. 電子技術(shù).
[2] 劉濤. CAN總線接口中的關(guān)鍵問題[J]. 工況自動化，2007.
[3] CAN總線應(yīng)用匹配設(shè)計[J]. 計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，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(jìn)變頻裝置控制硬件設(shè)計。
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張穎輝1，王治國1，張琳雅2
(1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所, 武漢 430064; 2. 河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院, 天津 300130）
CAN通訊在船用電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻控制設(shè)備中廣泛應(yīng)用，由于工作環(huán)境比較惡劣和復(fù)雜，系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾都會對CAN通訊數(shù)據(jù)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(jìn)行了驗證。
控制設(shè)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(wǎng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備控制領(lǐng)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(dá)1 Mbit/s[1]。
目前我們自主研制的船用電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻控制裝置大多采用CAN通訊進(jìn)行信息交互，CAN通訊的可靠性對船用電力推進(jìn)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，船用電力推進(jìn)系統(tǒng)的工作環(huán)境是比較惡劣和復(fù)雜的，系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾都會對CAN通訊數(shù)據(jù)的傳輸造成影響。故障頻發(fā)會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至癱瘓，提高控制設(shè)備CAN總線傳輸?shù)目煽啃灾陵P(guān)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(wǎng)絡(luò)構(gòu)成形式為總線式，終端電阻安裝于網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)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(yīng)用過程中，通信數(shù)據(jù)受許多因素的影響，可能致使傳輸?shù)牟ㄐ问д妫_(dá)不到預(yù)期的效果。實際設(shè)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(biāo)稱工作電壓范圍內(nèi)，若VCC不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)大的波動，則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷或波形失真。
2) 傳輸通訊導(dǎo)線的選擇及接法的影響
CAN總線的通訊數(shù)據(jù)傳輸中一般選用普通屏蔽線或屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，通訊導(dǎo)線的選擇和接法不合理會引入外部的電磁干擾，導(dǎo)致丟幀或誤碼。
3) CAN節(jié)點(diǎn)之間的通訊地電位相差過大的影響
在實際工程應(yīng)用中，由于現(xiàn)場條件的限制，進(jìn)行CAN通訊的變頻控制設(shè)備間可能存在較大的地電位差，甚至有的設(shè)備是浮地的，各個節(jié)點(diǎn)之間的電位差會導(dǎo)致通訊不穩(wěn)定甚至通訊失敗。
4) 總線終端電阻不匹配的影響
控制設(shè)備CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)SAE1939規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，CAN通訊終端節(jié)點(diǎn)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(shè)備CAN總線傳輸?shù)目煽啃缘膸c(diǎn)措施
通訊電路中CAN收發(fā)器選用尤為重要，PHILIPS的高速CAN收發(fā)器TJA1040，具有速率高、低功耗、電磁性能優(yōu)越等特點(diǎn)，自檢錯能力強(qiáng)，還可工作于睡眠模式，其標(biāo)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(wěn)定性
在設(shè)計中需采用專用電源芯片供電，提高供電電壓的穩(wěn)定性，同時在允許范圍內(nèi)盡量提高供電電平，增強(qiáng)驅(qū)動能力和抗擾度。
2) 通訊導(dǎo)線的選擇及接法不合理
CAN總線的通訊數(shù)據(jù)傳輸中一般選用普通屏蔽線或屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)。
本測試試驗中選用變頻控制器作為受試設(shè)備，模擬現(xiàn)場工作方式，通過上位機(jī)測試軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，借助于電磁干擾儀，將通訊線纜用軟銅箔包裹，以施加強(qiáng)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(dǎo)線，不同的接地方式下，對試驗現(xiàn)象進(jìn)行了統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果見下表1。
試驗結(jié)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(yōu)于其他幾種連接方式，即設(shè)備之間的CAN通訊導(dǎo)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(jī)殼地。
3) CAN節(jié)點(diǎn)之間的通訊地電位相差過大
對此種情況進(jìn)行了模擬測試，具體方法如下。在進(jìn)行CAN通訊的兩相鄰設(shè)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(dāng)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(shè)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(shè)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(xiàn)尖峰毛刺，隨著電壓的增大毛刺的尖峰幅值越來越大，當(dāng)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(fù)上述過程，均在30 V左右時通訊癱瘓。
在CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點(diǎn)處的直流供電電源地與機(jī)殼地之間串入1 MΩ的電阻，再次進(jìn)行前面所述實驗，即在進(jìn)行CAN通訊的兩相鄰設(shè)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(shù)字萬用表檢測發(fā)現(xiàn)，相鄰兩節(jié)點(diǎn)的通訊地之間的電壓差只有1 V。
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目前我們采用的CAN總線的傳輸物理介質(zhì)為屏蔽雙絞線或普通屏蔽電纜，通經(jīng)過查閱電纜手冊以及相應(yīng)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(guān)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(jié)點(diǎn)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(dǎo)線的特性阻抗，CAN網(wǎng)絡(luò)采用如圖4所示的匹配方式，在網(wǎng)絡(luò)各個分支節(jié)點(diǎn)處選用兩個1 kΩ的匹配電阻；若為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)處均采用47 nF電容進(jìn)行濾波。
3 提高CAN通訊傳輸可靠性的其他鞏固措施
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[1] 杜洪亮，張培仁，王亮，崔軍輝. CAN總線遠(yuǎn)程傳輸可靠性的設(shè)計方法和實現(xiàn)[J]. 電子技術(shù).
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Zhang Yinghui1, Wang Zhiguo1, Zhang Linya2
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