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(guó)張琳雅
船電技術(shù) 2014年9期
張穎輝，王治國(guó)，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(guó)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(huì)對(duì)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(duì)性的措施，并在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)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(jí)的分布實(shí)時(shí)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(duì)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(huì)對(duì)CAN通訊數(shù)據(jù)的傳輸造成影響。故障頻發(fā)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)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(shí)時(shí)性和靈活性，但實(shí)際的工程應(yīng)用過(guò)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(shí)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(dòng)，則會(huì)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(huì)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(guò)大的影響
在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于現(xiàn)場(chǎng)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(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電位差會(huì)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(guó)國(guó)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(cuò)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(jì)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(shí)在允許范圍內(nèi)盡量提高供電電平，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)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(cè)試試驗(yàn)中選用變頻控制器作為受試設(shè)備，模擬現(xiàn)場(chǎng)工作方式，通過(guò)上位機(jī)測(cè)試軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，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(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)下表1。
試驗(yàn)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(guò)大
對(duì)此種情況進(jìn)行了模擬測(cè)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(gè)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(shí)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(shí)示波器觀測(cè)可看到CANH與CANL的通訊波形開(kāi)始出現(xiàn)尖峰毛刺，隨著電壓的增大毛刺的尖峰幅值越來(lái)越大，當(dāng)電壓加到30 V時(shí)，報(bào)通訊故障，此時(shí)毛刺的幅值為6.64 V。示波器觀測(cè)的測(cè)試波形如圖3所示。
反復(fù)上述過(guò)程，均在30 V左右時(shí)通訊癱瘓。
在CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)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(shí)驗(yàn)，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(gè)電源，緩慢增大該電源，輸入為30 V電壓時(shí)，CAN通訊正常，升高電壓到40 V時(shí)亦正常。用數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)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(guò)查閱電纜手冊(cè)以及相應(yīng)的公式計(jì)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(zhǎng)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(gè)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(shí)，各個(gè)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(gè)分支節(jié)點(diǎn)處選用兩個(gè)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(gè)62Ω的電阻，同時(shí)，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(jì)；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(duì)同步位相位的影響；在CANH和CANL之間并聯(lián)一對(duì)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(jì)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(jì)方法和實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù).
[2] 劉濤. CAN總線接口中的關(guān)鍵問(wèn)題[J]. 工況自動(dòng)化，2007.
[3] CAN總線應(yīng)用匹配設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)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(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)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(jì)。
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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(guó)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(huì)對(duì)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(duì)性的措施，并在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)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(jí)的分布實(shí)時(shí)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(duì)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(huì)對(duì)CAN通訊數(shù)據(jù)的傳輸造成影響。故障頻發(fā)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)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(shí)時(shí)性和靈活性，但實(shí)際的工程應(yīng)用過(guò)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(shí)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(dòng)，則會(huì)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(huì)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(guò)大的影響
在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于現(xiàn)場(chǎng)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(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電位差會(huì)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(guó)國(guó)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(cuò)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(jì)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(shí)在允許范圍內(nèi)盡量提高供電電平，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)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(cè)試試驗(yàn)中選用變頻控制器作為受試設(shè)備，模擬現(xiàn)場(chǎng)工作方式，通過(guò)上位機(jī)測(cè)試軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，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(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)下表1。
試驗(yàn)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(guò)大
對(duì)此種情況進(jìn)行了模擬測(cè)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(gè)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(shí)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(shí)示波器觀測(cè)可看到CANH與CANL的通訊波形開(kāi)始出現(xiàn)尖峰毛刺，隨著電壓的增大毛刺的尖峰幅值越來(lái)越大，當(dāng)電壓加到30 V時(shí)，報(bào)通訊故障，此時(shí)毛刺的幅值為6.64 V。示波器觀測(cè)的測(cè)試波形如圖3所示。
反復(fù)上述過(guò)程，均在30 V左右時(shí)通訊癱瘓。
在CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)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(shí)驗(yàn)，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(gè)電源，緩慢增大該電源，輸入為30 V電壓時(shí)，CAN通訊正常，升高電壓到40 V時(shí)亦正常。用數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)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(guò)查閱電纜手冊(cè)以及相應(yīng)的公式計(jì)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(zhǎng)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(gè)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(shí)，各個(gè)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(gè)分支節(jié)點(diǎn)處選用兩個(gè)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(gè)62Ω的電阻，同時(shí)，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(jì)；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(duì)同步位相位的影響；在CANH和CANL之間并聯(lián)一對(duì)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(jì)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(jì)方法和實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù).
[2] 劉濤. CAN總線接口中的關(guān)鍵問(wèn)題[J]. 工況自動(dòng)化，2007.
[3] CAN總線應(yīng)用匹配設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)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)
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1003-4862（2014）09-0055-03
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