CAN總線通訊的電磁兼容系統(tǒng)干擾源的解決措施

CAN(Control Area Network)總線最初是一種為汽車車載設(shè)備(傳感器、執(zhí)行器)控制而設(shè)計(jì)的串行數(shù)字通信總線，由德國(guó)BOSCH公司和美國(guó)INTEL公司在20世紀(jì) 80年代末期開(kāi)發(fā)成功，并于1993年成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898。其目的是用多點(diǎn)、串行數(shù)字通訊技術(shù)取代常規(guī)的直接導(dǎo)線信號(hào)連接，可以節(jié)省大量車載設(shè)備的電纜布線。由于CAN總線芯片可靠性高、協(xié)議精練、價(jià)格低、貨源廣泛，因而在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域也獲得廣泛應(yīng)用。但是，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，電磁干擾較為嚴(yán)重，如何保證CAN總線通訊的可靠性尤為重要。

1 CANsmc系統(tǒng)概述

北京航空航天大學(xué)和北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司聯(lián)合定義了一種基于CAN總線的數(shù)字伺服通訊協(xié)議——CANsmc(CAN for synchronous motion control)。CANsmc采用主從式的雙通道網(wǎng)絡(luò)，由一個(gè)主站和最多61個(gè)從站組成，如圖1所示。系統(tǒng)的通訊由主站管理和協(xié)調(diào)，通道0為指令通道，主站通過(guò)它向各個(gè)從站發(fā)送控制指令數(shù)據(jù)。通道1為狀態(tài)通道，各個(gè)從站通過(guò)它向主站發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

CANsmc實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成，包括主站控制卡、從站控制卡和兩種設(shè)備控制卡。主站控制卡基于ISA總線，插入PC機(jī)控制單元。從站控制卡是嵌入式的CAN總線通訊卡，設(shè)備控制卡包括位置控制卡和I/O控制卡，可以控制伺服驅(qū)動(dòng)器和I/O設(shè)備。

2 電磁兼容分析

在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，電磁兼容EMC(Electro Magnetic Compatibility)性能對(duì)系統(tǒng)的影響非常大，關(guān)系到其能否正常穩(wěn)定運(yùn)行。國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)始對(duì)電子產(chǎn)品的電磁兼容性做強(qiáng)制性限制，電磁兼容性能已經(jīng)成為產(chǎn)品性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

電磁兼容主要包括兩方面的內(nèi)容，一個(gè)是產(chǎn)品本身對(duì)外界產(chǎn)生不良的電磁干擾EMI(Electro Magnetic Interference)影響，稱為電磁干擾發(fā)射;另一個(gè)是對(duì)外界電磁信號(hào)的敏感程度，稱為電磁敏感度EMS(Electro Magnetic Sensitivity)。干擾源、耦合途徑及敏感設(shè)備是電磁兼容的三要素，缺一不可。電磁兼容的詳細(xì)內(nèi)容如圖2所示。

電磁干擾信號(hào)的耦合途徑有傳導(dǎo)和輻射兩種。而根據(jù)耦合結(jié)果的不同，干擾又分為共模干擾和差模干擾。共模干擾存在于所有的信號(hào)線(包括信號(hào)線、數(shù)據(jù)線和電源線等)和地線之間，而差模干擾存在于信號(hào)線之間。

提高電磁兼容性的措施有三種：提高電子設(shè)備本身的EMC性能、對(duì)輻射性耦合使用屏蔽技術(shù)加以抑制、對(duì)傳導(dǎo)耦合采取濾波技術(shù)加以抑制。

3 PCB板EMC設(shè)計(jì)

CANsmc系統(tǒng)主站和從站電路板的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的EMC至關(guān)重要，而一個(gè)電路板的電磁輻射能力和接收能力往往是一致的，因此在提高電路板抗干擾能力的同時(shí)，也抑制了電路板的電磁輻射。PCB板的EMC設(shè)計(jì)主要考慮以下因素：

(1) 元器件選擇和布局

選擇EMC性能好的元器件，并盡量選擇表面貼裝的封裝形式。器件合理布局，把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，使各部件之間的引線盡量短。特別是微控制器和CAN控制器的時(shí)鐘源晶體，一定要按規(guī)定放置，否則會(huì)不起振。

在位置控制卡中使用了模擬電路，應(yīng)把模擬電路和高速數(shù)字電路合理地分開(kāi)，使相互間的信號(hào)耦合為最小。

(2) 合理布局地線，降低地線阻抗

地線電平是所有信號(hào)的參考電位。理想狀態(tài)下，電路板上所有的地線應(yīng)該等電位，但是由于地線阻抗的存在導(dǎo)致地線各點(diǎn)電位有差異，所以應(yīng)該盡量減小地線阻抗。最有效的辦法是做多層板，在中間專門設(shè)置一層地線面。但是多層板成本較高，本系統(tǒng)中使用了雙層板，在雙層板的布線面布置了盡量多的平行地線，一面是水平線，一面是垂直線，然后在它們交叉的地方用過(guò)孔連接起來(lái)，形成地線網(wǎng)格，可以獲得幾乎和多層板相同的效果。

(3) 穩(wěn)定電源

CANsmc系統(tǒng)中主站使用ISA插槽供電，從站使用開(kāi)關(guān)電源供電，在電源線的入口處都放置了電容低通濾波器，以過(guò)濾電源中的高頻毛刺。

電路中邏輯門輸出狀態(tài)切換時(shí)的瞬時(shí)效應(yīng)、電源線阻抗的存在等不理想狀態(tài)會(huì)使電源線產(chǎn)生噪聲，這些噪聲不僅會(huì)造成電路工作不正常，而且會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射。除了設(shè)置電源線網(wǎng)格來(lái)減小電源線的電感和阻抗外，還可以使用儲(chǔ)能電容。儲(chǔ)能電容為芯片提供了電路輸出發(fā)生變化時(shí)所需的大電流，避免了電源線上的電流突變，減小了感應(yīng)出的噪聲電壓。儲(chǔ)能電容布置在各個(gè)芯片附近，使它對(duì)芯片的供電回路面積盡量小，容量為470~1000pF。對(duì)于系統(tǒng)中用到的微控制器和位置控制器等QTP封裝的大型芯片，在其四周每組電源和地引腳附近都放置了儲(chǔ)能電容。

每片芯片的儲(chǔ)能電容放電完畢后，需要及時(shí)充電，做好下次放電的準(zhǔn)備。此時(shí)，為了減小對(duì)電源系統(tǒng)的擾動(dòng)，在電源線入口處安裝了一個(gè)二級(jí)儲(chǔ)能電容，其容量為芯片儲(chǔ)能電容總量的10倍以上。

(4) 降低信號(hào)線間串?dāng)_

電路板信號(hào)線間的串?dāng)_也是電路工作不穩(wěn)定的一個(gè)重要因素，尤其是高頻信號(hào)線。減小串?dāng)_，不僅要降低線路的電感，還要關(guān)注信號(hào)回流線，使回路面積最小。

在布線時(shí)，盡量控制走線的長(zhǎng)度，加大線路的寬度和線間距離，以減小線路的電感。使用地線網(wǎng)格也可以使信號(hào)線回流面積減小，也減小了信號(hào)之間的互相耦合。重要信號(hào)線和地線之間安裝濾波電容，以提高信號(hào)質(zhì)量。高頻時(shí)鐘信號(hào)線用地線隔離，以避免和其它信號(hào)線耦合。