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        控制設(shè)備CAN總線(xiàn)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
        關(guān)鍵詞:屏蔽線(xiàn)屏蔽通訊

        張穎輝,王治國(guó),張琳雅

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        控制設(shè)備CAN總線(xiàn)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(xiàn)傳輸 可靠性

        0 引言

        CAN,全稱(chēng)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(xiàn)傳輸?shù)目煽啃灾陵P(guān)重要。

        1 影響CAN總線(xiàn)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(xiàn),網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成形式為總線(xiàn)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(xiàn)相比,CAN總線(xiàn)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(chēng)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(xiàn)的選擇及接法的影響

        CAN總線(xiàn)的通訊數(shù)據(jù)傳輸中一般選用普通屏蔽線(xiàn)或屏蔽雙絞線(xiàn)作為傳輸介質(zhì),通訊導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)終端電阻不匹配的影響

        控制設(shè)備CAN總線(xiàn)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(xiàn)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(chēng)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(zhuān)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(xiàn)的選擇及接法不合理

        CAN總線(xiàn)的通訊數(shù)據(jù)傳輸中一般選用普通屏蔽線(xiàn)或屏蔽雙絞線(xiàn)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(xiàn)纜用軟銅箔包裹,以施加強(qiáng)電磁干擾脈沖CAN通訊線(xiàn)路。如圖2所示。

        分別選用普通2芯屏蔽線(xiàn)、普通3芯屏蔽線(xiàn)和屏蔽雙絞線(xiàn)作為通訊導(dǎo)線(xiàn),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(xiàn)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(xiàn)采用3芯屏蔽線(xiàn),并將線(xiàn)纜的屏蔽層兩端分別與第三根線(xiàn)的兩端相連接,再將線(xiàn)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(guān)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(guān)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(xiàn)終端電阻不匹配;

        按照ISO11898標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,CAN總線(xiàn)終端必須按照通訊導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)的傳輸物理介質(zhì)為屏蔽雙絞線(xiàn)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(xiàn)或普通屏蔽電纜的電纜特性與總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)纜,減小通訊導(dǎo)線(xiàn)電阻,從而減少傳輸損耗;選用分布電容較小的通訊線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)接口中的關(guān)鍵問(wèn)題[J]. 工況自動(dòng)化,2007.

        [3] CAN總線(xiàn)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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