（机械电子工程专业论文）车载通信总线时域分析方法研究.pdf

摘要 ylull1121111 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ili i i l 1 1 1 1 1 1 1 6 8 0 5 3y 2 0 时域分析方法是近年总线研究的热点，本文对车载通信系统广义总线的时域 分析方法进行了深入的研究。 本文在对车载通信系统广义总线分类的基础上，重点对数据总线的传输特征 及总线的耦合泄露机理进行研究；基于传输线方程，分别针对无耗和有耗传输线 进行理论推导，建立各自的求解方程；应用传输线的精细计算方法，以双绞线为 例，提出适用于非均匀传输线的计算模型；通过与参考文献的对比，验证了计算 方法的正确性；编制了典型数据总线的时域分析程序，完善了车载通信总线电 磁兼容仿真分析软件v e r s i o n1 o 软件；最后对实际车载通信系统中的总线布局 案例进行仿真对比计算，并获得了一定的结论，达到为系统内布线提供理论指导 的目的。 关键词：车载通信总线时域分析非均匀传输线 a b s t r a c t t h et i m e d o m a i nt r a n s i e n t a n a l y s i si st h er e s e a r c hh o t s p o to ft r a n s m i s s i o nl i n e si n r e c e n ty e a r s i nt h i sp a p e r ，t h et i m e 司o m a l na n a l y s i so f g e n e r a l i z e db u s e si nv e h i c l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma les t u d i e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fv e h i c l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mg e n e r a l i z e db u s e s i ti s f o c u s e do nt h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d c o u p l i n gl e a km e c h a n i s mo f 出l t ab u s e s b a s e do nt h et r a n s m i s s i o nl i n ee q u a t i o n s ，t h et h e o r yd e r i v a t i o n so f l o s s n e s sa n dl o s s y t r a n s m i s s i o nl i n e sa r e f i n i s h e d ，w i t ht h es o l u t i o n e q u a t i o n s u s i n gt h ea c c u r a t e c a l c u l a t i o nm e t h o do ft r a n s m i s s i o nl i n e ，w i t ht w i s t e dp a i ra sa ne x a m p l e ，t h ec a l c u l a t i o n m o d e lo fn o n u n i f o r mt r a n s m i s s i o nl i n ei sp r o p o s e d b y c o m p a r i s o nw i t ht h er e f e r e n c e s l i t e r a t u r e ，t h em e t h o di sv e r i f i e dt ob ec o r r e c t t h et i m ed o m a i na n a l y s i sp r o g r a mo f t y p i c a ld a t ab u s e si sc o m p i l e d , w h i c hc o m p l e t et h e ”v e h i c u l a rc o m m u n i c a t i o ns v s t e r n b u s e se m cs i m u l a t i o ns o f t w a r ev e r s i o n 1 0 s o f t w a r e f i n a l l y ，t h ec o m 。p a d s o n c a l c u l a t i o no fp r a t i c a lb u s e sl a y o u ti sf i n i s h e d ，w i t hs o m ec o n c l u s i o n sg o t ，w h i c hw i l l p r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rn l ep u r p o s eo fs y s t e mw i r i n g k e y w o r d s ：v e h i c u l a rb u s e st i m e - d o m a i na n a l y s i sn o n u n i f o r mt r a n s m i s s i o n l i n e 第一章绪论 第一章绪论 1 1车载通信总线时域分析研究背景 电磁兼容( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，e m c ) 指设备( 分系统、系统) 在 共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。它主要以电气电子科学理论 为基础，涉及范围广、综合性强、技术难度大，目前发达国家都是以法律、法规 或标准的形式，对电子产品的电磁兼容性能进行有效控制，如欧盟的 8 9 3 3 6 e u r o p e a ne c o n o m i cc o m m u n i t y ( e e c ) 指令等，都要求电子产品的电磁兼 容性能满足相应国家国际标准。近年来，随着通信、电子等科学技术的飞速发展 和电子计算机的高度普及，越来越多的电子产品向高速化、智能化发展，通信设 备之间的信号传输速率越来越高，通信系统内的电磁兼容问题也越来越严重。总 线作为系统内设备之间通信的主要方式，会对系统的电磁兼容性能产生重要影响。 现代车载通信系统大量采用总线技术来进行车内设备间的通信。随车内电子 设备的增多，车内总线的种类和数目急剧增加，为了布线的便捷多种总线经常被 捆扎在一起混合排布。总线相互距离的减少和自身高速的传输速度使得总线间的 耦合干扰变的非常严重。 车载系统中常用的数据总线包括r s - 4 2 2 总线、r s 4 8 5 总线、i u 4 5 总线( 以 太网线) 、c a n 总线等，主要传输数字信号。其传输速率高，传输的信号也非常敏 感，因而更容易受到周围总线的影响，对其电磁兼容性能的研究也最为重要。传 统的对总线电磁兼容性能的研究主要集中在总线的频域研究，也就是从频域入手 对传输线方程进行求解，进而得到总线传输特征的频域表示。频域研究可以方便 的得到总线和频率相关的传输特性，然而，频域分析法也存在一些局限性，具体 表现在如下几个方面： 1 ，频域分析方法始终假设任意时刻在传输线上只存在单一频率的波，也就是 说，频域分析方法认为在任意时刻传输线上传输的都是单一频率的正弦波。在此 基础上，将波形表示为时谐形式，通过解频域内的传输线方程计算沿线电压和电 流。对宽带信号需要进行多次频点离散傅里叶变换，需要花费大量计算时间，反 复的转换也会导致精度损失。 2 ，频域分析方法中，始终假设传输线已经达到稳态传输过程，即任意时刻传 输线上只存在稳态波，不存在瞬态波，故而频域方法只能得到传输线上的稳态解， 在高速传输系统中的表现不甚良好。同样，频域分析方法也不适于分析瞬态激励 下的传输线。 2车载通信总线时域分析方法研究 而相对频域分析方法，时域方法则有着明显的优势。通过对传输线的时域传 输分析，可以对任意形式的激励源进行分析，如脉冲源、宽带信号等，既可以分 析传输信号的瞬态过程，也可分析线上信号的稳态过程。因此，在高速传输的数 字系统中，时域解法可以得到比频域解法更精确的结果。时域方法不需要进行频 繁的时频域转换，在节约了计算时间的同时也避免了因为大量转换带来的精度损 失，因而时域解法也更高效和准确。 本文先从常用的车载通信总线入手，对其传输性能进行分析，进而对总线时 域分析的理论进行推导，应用精细计算方法研究应用广泛的非均匀传输线，最终 形成总线仿真软件，为系统实际布线提供依据。 1 2国内外发展动态 传输线在e m c 中的研究开始于二十世纪五六十年代，期间伴随着对电缆的串 音的频域分析。在二十世纪七十年代对核电磁脉冲( e ) 的关注日益引起了人 们对线的入射场激励的重视。二十世纪八九十年代，随着电子科技时代的到来， 传输线的传输速度越来越高，传统的频域研究方法已经不能很好的解决数字信号 的问题，因而研究的重点转向对传输线的时域研究。 在国外，对传输线时域方法的研究比较多。c o l i ng o r d o n 7 】在对传输线频域解 法研究的基础上，将损耗部分看作传输线的时域输入和脉冲响应来研究传输线的 时域解。m d a m o r 提出一种新的在多导体线缆仿真过程中的地阻抗和地导纳的 表达式，进而应用傅里叶变换等方法来进行有耗大地条件下传输线的时域研究【8 】。 s n g w o ok i m 建立了传输线趋肤效应的新模型，在此基础上分析有耗传输线的解法 【9 】。k e m a lm f i d a n b o y l u 对传输线方程进行时域离散进而研究沿线某点在任意时刻 的时域响应【5 】。到了近年，微波技术的兴起使得对传输线时域响应的研究转向了非 规则传输线。j a e h o o nj e o n g 提出了一种路径积分方法研究非规则传输线的时域响 应，并给出了仿真计算结果【3 】。t o s h i k a z us e k i n e 则在传输线研究的基础上对传输 线终端形式进行了时域的推导并进行了适当截取【4 】。 在国内，华北电力大学的齐磊等应用有限差分方法研究电缆系统的瞬态响应 【l5 】：哈工大的任洪林将传输线分解为若干个子电路，研究基于等效电路模型的多 相耦合传输线的瞬态响应【1 6 】；西交大的马西奎在大连理工大学钟万锶提出的精细 计算方法的基础上提出了传输线方程的精细计算方法，并以之计算传输线的瞬态 响应【1 7 】。这种方法对传输线在空间上进行差分，计算精度高且可以处理终端短路、 开路等普通方法难以处理的情形，因而获得了普遍认同。本文就采用了这种精细 计算方法。 第一章绪论 3 1 3本文所做的工作 本文在前人对传输线研究的基础上，从简单的传输线结构到复杂的传输线， 从无耗传输线到有耗传输线，逐步探索传输线的时域分析理论，并采用精细计算 方法研究传输线的瞬态过程；对车载系统中常用的几种总线的传输特征进行了详 细的分析，编制了车载通信总线的时域仿真分析程序，为系统内实际布线提供了 理论依据。 本文具体包含以下几个方面： 第一章，绪论主要介绍了车载通信总线时域分析的研究背景，提出总线时域 研究的必要性和迫切性，以及总线时域分析的国内外发展动态，最后给出了本文 的主要研究内容提要。 第二章，分析了几种常用车载通信总线的传输特征，其中主要包括r s - 4 2 2 、 r s - 4 8 5 总线、i u - 4 5 总线、c a n 总线，重点研究其编码形式和传输速度等特征， 并重点研究了其作为传输线时的结构参数和连接形式，为后续章节的仿真计算提 供了基础。 第三章，从无耗的平行双线传输线出发，对其传输线方程进行推导得到其时 域响应，并以此为依据提出了一般的图形解法。继而，在双线传输线的基础上进 行推广，研究工程中普遍应用的多导体传输线的时域分析理论。 第四章，在上一章理论分析的基础上，首先介绍了总线时域分析的精细计算 方法。继而在精细计算方法的要求下介绍了总线单位长度参数的计算方法，并重 点针对非均匀传输线进行了研究，结合精细计算方法，研究典型的非均匀多导体 传输线的时域计算，为后面对实际总线的仿真计算提供理论支持。 第五章，主要研究车载通信总线时域仿真分析软件的设计和具体实现，分别 从软件的功能上和结构上进行总体设计，继而基于总体设计，分别实现软件的前 处理模块、核心计算模块和输出模块，最终形成了完整的软件，并对计算结果进 行了仿真对比。 4 车载通信总线时域分析方法研究 第二章常用车载通信总线传输特征分析 5 第二章常用车载通信总线传输特征分析 总线技术因为其高效的传输性和总线铺设的便捷性而广泛的应用在车载通信 系统中，本章详细解释了广义总线的概念，并对几种常用的车载通信总线的物理 特性和传输特征进行了分析。 2 1 1 传统总线简介 2 1 车载通信系统广义总线简介 运用线缆进行信号传输可以追溯到很远的年代，然而随着系统结构的复杂和 线缆数量的增多，传统的布线方式会使得系统变的非常杂乱而且可靠性降低。各 不同厂家对于线缆的不同理解也出现了各种各样五花八门的线缆规格和接口类 型。为了提高系统的可靠性和传输速度，同时统一线缆规格和接口，因而出现了 总线技术。传统的总线由协议、接口以及传输介质组成，如图2 1 所示。 图2 1 传统总线组成结构 采用总线来传输信号具有简化系统安装、便于维护和管理、提高系统的可靠 性和安全性等优点，因而被广泛的应用到设备通信中。 总线按照通信方式可以分为并行总线和串行总线。并行通信指数据的各位同 时传送。并行方式传输数据速度快，但占用的通信线多，传输数据的可靠性随距 离的增加而下降，只适用于近距离的数据传送。串行通信是指在单根数据线上将 数据一位一位地依次传送。发送过程中，每发送完一个数据，再发送第二个，依 此类推。串行通信传输速率较低，但在通信的吞吐量不是很大的情况下，更加简 单、方便，适合于远距离通信。主要用于计算机与外部设备或系统之间的通信。 本文研究的i u 4 5 、r s 4 2 2 4 8 2 总线等就都属于串行总线。 2 1 2 车载通信系统广义总线 从广义的角度看，总线就是用来设备间互连和传输信息的传输介质，因而称 6 车载通信总线时域分析方法研究 之为广义总线。广义总线不一定遵守特定的协议，只要在满足要求的条件下，能 够在其介质上传输所需的信号即可。广义总线传输方式简单，因而在车载通信系 统中被广泛的采用，常用来连接车内各个电子设备。 在车载通信系统中，总线种类繁多，为了布线的方便，各种总线经常混合捆 扎布局，致使总线之间的耦合干扰十分严重。车内空间狭小、各种电子设备众多， 大功率线如电源总线等的存在更加导致了车内电磁环境的恶化，因而影响设备的 正常运行。为了总线传输的可靠性，按照车载通信系统内部总线传输信号的不同 可将车内总线分为下面几种：用于控制设备、进行设备之间通信的数据总线，用 于传输音频信号、视频信号和电台信号的射频总线，和为各种设备和系统提供电 源的电源总线。对车载通信系统广义总线的分析可以总结如图2 2 ： 图2 2 车载通信系统总线分类结构 数据总线属于传统的总线，包含协议、接口、传输介质等，而射频总线和电 源总线是广义总线，没有特定的协议，只要能够正常传输所需的信号即可。车载 通信系统中，数据总线由于工作频率高，信号相对比较敏感，更容易受到来自其 他总线的干扰，因而本文的理论分析和计算主要针对数据总线。 2 2 典型数据总线传输特征分析 r s - 4 2 2 总线、r s 4 8 5 总线、r j - 4 5 总线和c a n 总线都是车载通信系统中很常用 的总线类型，对它们的物理介质类型和传输特征的分析有助于加深对车载通信总 线的理解，也可以为后续的仿真计算工作提供总线的物理参数和信号特征等必要 的参数，因而，本节将着重讨论这四种总线的物理结构和传输特征。 2 2 1 差动工作原理 差动工作方式常常被用于总线数据传输中，如本文列举的r s 4 2 2 、r s - 4 8 5 总线 第二章常用车载通信总线传输特征分析7 等都以差分传输的原理进行工作。差分工作也叫“差分传输”，通俗地说，就 是驱动端发送两个等值、反相的信号，接收端通过比较这两个电压的差值来判 断逻辑状态“0 还是“1 。而承载差分信号的那一对走线就称为差分走线， 如图2 3 所示。 一 + u l l 弛 + z o 图2 3 差分传输示意图 如图2 3 ，在任意时刻，都有： 以= 一沙 ，：一， 一 ( 2 1 ) u 工1 = 一u 工2 吮= l 一2 = 2 u t l 因此，共差分的角度来看，节点1 、2 2 间是没有电流流通的，地线可以省去。 但在实际传输系统中，由于线缆之间干扰耦合或者外界电磁场对线缆的场一线耦 合等原因，传输线上常存在共模电流，地线实际上是为共模电流提供了一个流通 回路。在通信距离较远时，地线的存在有效的抑制了共模电流，降低了线缆的对 外辐射。 差分信号和普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在以下三个方面： 1 抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰 时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值， 所以外界的共模噪声可以被完全抵消。 2 能有效抑制e m i ，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射 的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。 3 时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像 普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小， 能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。 基于上述优点，差分工作被广泛的应用于数据传输中。 8 车载通信总线时域分析方法研究 2 2 2 典型数据总线传输分析 2 2 2 1r s 4 2 2 总线 r s 4 2 2 标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路 的特性。实际上还有一根信号地线，共5 根线。由于接收器采用高输入阻抗和发送 驱动器比r s 2 3 2 更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多 可接l o 个节点。即一个主设备( m a s t e r ) ，其余为从设备( s a l v e ) ，从设备之间不 能通信，所以r s - 4 2 2 支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4 k ，故发端最大 负载能力是1 0 x 4 k + 1 0 0 f l ( 终接电阻) 。 r s - 4 2 2 四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向， 各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式( x o n x o f f 握手) 或硬件方 式( 一对单独的双绞线) 。r s - 4 2 2 的最大传输距离为4 0 0 0 英尺( 约1 2 1 9 米) ，最大 传输速率为1 0 m b s 。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在1 0 0 k b s 速率以下， 才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般1 0 0 米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1 m b s 。 r s - 4 2 2 总线需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短 距离传输时可不需终接电阻，即一般在3 0 0 米以下不需终接电阻。终接电阻接在传 输电缆的最远端。 数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中 一线定义为a ，另一线定义为b ： 图2 4r s - 4 2 2 总线接口示意图 图2 5 为a 、b 端口间的电压波形示意图，图2 6 为r s - 4 2 2 总线的传输连接图。 第二章常用车载通信总线传输特征分析9 传辕宅压范翻 图2 5r s - 4 2 2 总线信号波形图 图2 6r s - 4 2 2 传输连接图 图2 6 中，g 为发送器驱动，r 为接收器驱动，g w g 为电源地。接收器也作与 发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将a a 与b b 对应相连，当在接收端 a b 之间有大于+ 2 0 0 m v 的电平时，输出正逻辑电平，小于- 2 0 0 m v 时，输出负逻辑 电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在2 0 0 m v 至6 v 之间。可见，当接收端 受到的干扰电压大于+ 2 0 0 m v 或者小于2 0 0 m v 时，接收器可能会出现误触发，因而 + 2 0 0 m v 可以作为判断r s 4 2 2 总线是否受到干扰的依据。 2 2 2 2r s - 4 8 5 总线 r s - 4 8 5 总线是在r s - 4 2 2 总线上发展起来的一种用于设备联网的、经济型的、 传统的工业总线方式。在要求通信距离为几十米到上千米时被广泛采用。r s 4 8 5 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有 高灵敏度，能检测低至2 0 0 m v 的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 l o 车载通信总线时域分析方法研究 图2 7r s - 4 8 5 总线外观图 r s - 4 8 5 可以采用二线与四线方式，信号是以差模形式传输的， 用双绞线，也可选择普通的网线。 r s - 4 8 5 工业总线标准要求各设备之间采用菊花链式连接方式， 1 2 0 q 终端电阻。 信号线一般采 两头必须接有 l 莓2#3；肄耋#3 2 莓 图2 8r s - 4 8 5 总线连接方式示意图 r s - - 4 8 5 总线采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此， 发送电路须由使能信号加以控制。r s - 4 8 5 总线正常传输时，逻辑“1 ”以两线间的电 压差为+ ( 2 6 ) v 表示；逻辑“0 ”以两线间的电压差为( 2 6 ) v 表示，距离不 同传输速度也略有差异： 表2 1r s - 4 8 5 总线最大传输距离随波特率变化表 波特率( b p s ) 最大传输距离( m ) 2 4 0 01 8 0 0 4 8 0 01 2 0 0 9 6 0 08 0 0 r s 4 2 2 和r s - 4 8 5 总线都属于r s 系列，它们之间的异同如表2 2 。 可见r s - 4 8 5 总线与r s - 4 2 2 总线有相同的接收门限值，因而+ 2 0 0 m v 也可以作 为判断r s - 4 8 5 总线是否受到干扰的依据。 第二章常用车载通信总线传输特征分析 1 l 表2 2r s - 4 2 2 和r s - 4 8 5 总线性能对比 规定 r s 4 2 2r s - 4 8 5 工作方式差分差分 节点数 1 收、l o 发l 收、3 2 发 最大传输电缆长度4 0 0 英尺4 0 0 英尺 最大传输速率1 0 m b p s1 0 m b p s 最大驱动输出电压 - 0 2 5 v 卜6 v7 o v ，卜l2 o v 驱动器输出信号电平 _ - - 2 0 v+ - 1 5 v ( 负载最小值) 驱动器输出信号电平 + - 6 0 v + - 6 0 v ( 空载最大值) 驱动器负载阻抗( 欧) 1 0 05 4 摆率( 最大值) n 从n a 接收器输入电压范围 1 0 v 斗1 0 v 7 v + 1 2 v 接收器输入门限 + | 2 0 0 m v+ - 2 0 0 m v 接收器输入电阻( 欧) 4 k ( 最小) = 1 2 k 驱动器共模电压 3 v 斗3 v 1 v - - , + 3 v 接收器共模电压 7 v 斗7 v7 v + 1 2 v 2 2 2 3r j - 4 5 总线 r j - 4 5 总线即传统的以太网线，是i e c ( 6 0 ) 6 0 3 7 标准化的，有国际性的接插件 标准定义的8 个位置( 8 针) 的模块化插孔或者插头。i u - 4 5 总线广泛地应用于以太网 通信中，传输速率有1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 、1 0 0 0 m b p s - - - 种规格。 目前所用的r j - 4 5 线大多f l ：1 4 对5 类非屏蔽双绞线( u t p ) 或屏蔽双绞线( s t p ) 构 成，其中常用的网线为u t p 。如果数据敏感或者网络附近有强电磁辐射干扰的情况 下使用s t p 。r j 4 5 总线接口的排序有两种标准，一种为t - 5 6 8 a ，另一为t - 5 6 8 b 。 两种标准的差别在于橙、绿两组线对调。如图2 9 2 1 0 为r j - 4 5 总线的外观和接口图。 1 2车载通信总线时域分析方法研究 谂、麟 熹醪蕨 图2 9r j - 4 5 总线外观及横截面示意图 图2 1 0r j - 4 5 接1 2 1 示意图 l u - 4 5 总线分为4 线通信和8 线通信。应用最为广泛的为4 线通信，其余4 线处于 空闲状态，用于传输1 0 1 0 0 m b p s 的信号。8 线通信用来传送1 0 0 0m b p s 的信号。4 线 传输时，两种接口标准中，信号均在1 ，2 ，3 ，6 号线上传送。其连接方式如图2 1 l ： 图2 1 1 以太网线芯线连接方式 1 0 m b p s 太网接口( 符合i e e e s 0 2 3 ) ，采用曼切斯特( m a n c h e s t e r ) 编码，“1 ”用 “1 0 ”表示，“o ”用“o l ”表示，如图2 6 ( a ) ，用+ 3 8 5 v 和一3 8 5 v 分别表示高低电平。 1 0 0 m b p s 快速以太网接口( 符合i e e e 8 0 2 3 u ) ，采用差分曼切斯特( d i f f e r e n t i a l m a n c h e s t e r ) 编码，“l ”电平保持不变，“0 ”电平翻转，如图2 1 2 ( b ) ，用“5 v 和一 4 5 v 分别表示高低电平。采用4 b 5 b 编码方式，即信号传输时用5 b i t 的符号来表示 4 b i t 的数据信息。则实际总线上传输速率为1 2 5 m b p s 。 第二章常用车载通信总线传输特征分析 1 3 + e 曼切斯特籀码 一己 笸分+ e 曼切斯特螭码 一e 1o l 1 o 0 ：tl l 1 00 i 。 ， ， ( a ) 曼切斯特( m a n c h e s t e r ) 编码 1 0 1 l 0011 1oo ， ， #i i- -l ( b ) 差分曼切斯特( d i f f e r e n t i a lm a n c h e s t e r ) 编码 图2 12 曼切斯特编码和差分曼切斯特码示意图 1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b p s 双绞线最大长度均为1 0 0 m 。1 0 0 0 m b p s 以太网接口( 符合 i e e e 8 0 2 3 a b ) ，传送速率可以等效地看作是在四对双绞线上，每对的传送速率为 2 5 0 m b p s ( 2 5 0 m b p s * 4 = 1 0 0 0 m b p s ) 。r j - 4 5 总线的传输速率非常高，而且其最大长度 也很长，因而其很可能会对周围较为敏感的总线产生严重的干扰，本文后面的仿 真计算即以r j - 4 5 总线作为干扰源，研究其对其他总线的耦合干扰。 2 2 2 4c a n 总线 c a n 总线是德国b o s c h 公司在2 0 世纪8 0 年代初，为解决现代汽车中众多的控 制与测试仪器之间的数据传输而开发的一种串行通信总线。c a n 总线有很好的实 时性、可靠性、安全性、灵活性，而且价格便宜，因此在车载通信和控制系统中， 获得了广泛的应用。 c a n 总线是一种多主方式的串行通讯总线，具有高的传输速率和高的抗电磁 干扰性。当信号传输距离达至l j l o k m 时，c a n 总线仍可提供高达5 k b p s l 拘数据传输速 率。c a n 总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其通信速率之间的关系如表 2 3 所示。 表2 3c a n 总线通信距离与通信速率的关系 通信速率 ( k b p s ) 1 0 0 05 0 02 5 0 1 2 51 0 05 0 2 01 05 最大距离 ( m ) 4 0 1 3 02 7 05 3 06 2 01 3 0 03 3 0 06 7 0 0l o o o o c a n 总线有两条线组成，信号采用半双工差分传输的方式。传输媒质通常使 用非屏蔽的双绞线。其连接形式如图2 1 3 ： 1 4车载通信总线时域分析方法研究 图2 1 3c a n 总线连接方式 信号采用双极性非归零( n r z ) 编码解码方式，如图2 1 4 所示。 e + e loll0oll 100 图2 1 4 双极性非归零( 屹) 编码 c a n 总线采用两种互补的逻辑数值“显性 和“隐性” 来分别表示“o 和 “1 ”。“显性 ( “d a m i n a n t ”) 数值表示逻辑“0 ”，而“隐性”( “r e c e s s i v e ) 表示 逻辑“1 。当总线上同时出现“显性 位和“隐性 位时，最终呈现在总线上的 是“显性”位。c a nh 和c a nl 表示c a n 总线收发器与总线的两接口引脚，信号 是以两线之间的差分”电压v d i f f 形式出现。 在“隐性 状态即逻辑“l 下，v c a nh 和v c a nl 被固定为平均电压电平， v d i f r 近似为零，此时v c a nh 和v c a nl 的标称值为2 5 v 。“显性 位即逻辑“0 以大于最小阀值的差分电压表示，此时v c a nh 的标称值为3 5 v ，v c a nl 的标 称值为1 5 v 。在总线空闲状态，发送隐性位。如图2 1 5 所示。 二rl 悼 一 l 、一一一l 图2 1 5c a n 总线电平定义 2 2 3 影响总线传输特征的因素 时目 典型的数据总线如r s - 4 2 2 等属于传统总线，有各自规定的传输协议、线介质 类型及信号特征。但在车载通信系统中，车内设备种类繁多，数量庞大，加上车 第二章常用车载通信总线传输特征分析 15 内狭小的空间，导致车内电磁环境十分恶劣，直接使得车内设备间互相通信的总 线系统暴露出许多电磁兼容问题。在车载通信系统中，影响总线正常传输的因素 主要包括以下几个方面： 1 总线本身介质类型。如总线的铺设长度、屏蔽方式等。一般来说，铺设长 度越长的总线会更多的受到相邻总线的影响；屏蔽越好的总线也越不容易 受到其总线的干扰。 2 总线本身的传输特征。如激励源的幅值、周期等。一般来说，激励源幅值 越高的总线，其对周围总线的影响也越为严重；总线工作周期越短，也越 容易对周围总线造成影响。 3 车内的布线方式。如总线距离车壁的高度、总线间距离等。在车内总线系 统中，狭窄的空间使得许多不同种类的总线往往被捆扎在一起混合铺设， 从而造成总线间的互相干扰十分严重。 在上述几个因素中，对于车内的标准总线如r s 4 2 2 、r j 4 5 来说，由于它们 将连接各自不同的设备，其铺设长度通常是无法改变的；作为标准总线，其本身 的传输特征和屏蔽方式也是固定的，因而对这两个因素不做过多的分析。在实际 车载系统中，由于布线不合理造成的总线相互干扰的案例屡见不鲜，因而本文主 要针对车内总线的布线因素进行分析，通过仿真计算为车内布线提供理论参考。 2 3 本章小结 本章首先介绍了广义总线与传统总线的区别，按传输信号特征的不同将车载 通信总线划分为三类；进而重点对常用的数据总线如r s - 4 2 2 、r s 一4 8 5 、i l l 一4 5 等的 介质类型、连接方式、编码及信号特征进行分析，为后续车载总线的研究和计算 提供准确的结构参数和信号源参数，继而研究可能影响总线传输特征的诸多因素， 为软件仿真做出理论上的指导。 1 6车载通信总线时域分析方法研究 第三章总线时域分析理论研究 1 7 第三章总线时域分析理论研究 3 1 典型总线结构耦合机理概述 由于多芯电缆束传输不同特性的信号，电缆之间分布参数的存在将产生电缆 芯线间的电磁耦合性干扰。多芯电缆的电磁耦合由电场( 电容性) 耦合和磁场( 电 感性) 耦合组成，分别定义如下： 电容性耦合又称为场耦合，由于电容实际是由两个导体构成，因此两根导线 就构成了一个电容，称之为导线之间的寄生电容。由于这个电容的存在，一根导 线中的能量能够耦合到另外一根电线上。这种通过导线间的电容使某一电路对另 一电路形成电力线交链的耦合称为电容耦合。 电感性耦合也称为磁耦合，它是由两电路间的磁场相互作用所引起的，当一 根导线上的电流发生变化时，将引起周围的磁场发生变化。若另一根导线在这个 变化的磁场中，则这根导线上会感应出电动势。于是，一根导线上的信号就耦合 进了另一根导线。 之前分析的通信数据总线按照电磁干扰耦合的机理又可以分为屏蔽线和非屏 蔽线。下面就从屏蔽和非屏蔽两个角度来分析总线的电磁耦合机理。 3 1 1 非屏蔽线耦合机理 非屏蔽登绞竺兰是孽量霉釜：堡毫母宴对簋篓线 m3 1 裸线的耦合 扭绞而成，其电流回路线绕成极性交错的若干局部绕 环，使之沿导线方向符号交变的局部耦合信号彼此相抵消，从而有效抑制了电磁 耦合和发射。 1 8 车载通信总线时域分析方法研究 3 1 2 屏蔽线耦合机理 目前实际中的屏蔽电缆所采用的屏蔽层的类型主要分为编织型、包容型及上 述形式的混合型等几个类型。包容型是无孔缝的管状屏蔽体( 如热缩管、波纹管、 铝箔包带等) ，而编织型指的是有孔缝的屏蔽体( 如编织网等) 。 1 、编织型屏蔽层的耦合机理 编织屏蔽电缆是用带镀层的细铜丝编织层构成的屏蔽层，制造简单，缆体柔 软，是最普通和最常用的屏蔽电缆。这种屏蔽体的结构特性参数有屏蔽层半径a 、 编织体内的编束数b 、截面数p 、编束内的导线数n 、导线直径d 及编织角0 ，如 图3 2 所示。 编织角： 2 n d 图3 2 编织屏蔽体的特性参数 0 ：t g - l 竺翌 ( 3 1 ) b 投影覆盖率( 编织密度) ：k = 2 f f 2 ( ) ( 3 2 ) 其中，填充部分f ：p n d ：n d ：型 ( 3 3 ) 一= = = 一 i - j s i n 0w4 z a c o s o 编织屏蔽电缆由于其机械柔韧性在电子领域内使用最为广泛，其电磁泄漏主 要由屏蔽体上的编织孔缝所引起。内导体穿过屏蔽体孔缝与外界的电磁耦合如图 3 3 所示。芯线电流在周围引起的磁场有一部分可能穿过菱形孔，并与其它芯线回 路相交链，在屏蔽体回路与芯线回路间引起互感；芯线电位引起的电场将传过屏 蔽体的孔缝，使芯线与屏蔽层外部产生电容耦合。 第三章总线时域分析理论研究 1 9 ( a ) 磁场泄漏示意图 ( b ) 电场泄漏示意图 图3 3 编织型屏蔽电缆的泄漏 2 、包容型屏蔽层的耦合机理 对于包容型屏蔽体属于无孔的屏蔽体，可将其简化为无孔的圆筒壳体，对于 这类屏蔽电缆，它的泄漏机理主要是电磁场以扩散的方式向外耦合。芯线与屏蔽 层所产生的感应电场、磁场与其它导线形成电容电感耦合，产生感应电流；屏蔽 体表面电流也将产生辐射场。如图3 4 所示，决定屏蔽体的屏蔽效能的参数为屏蔽 壳体的材料、厚度、层数以及连接器的端接方式等。 ：， 图3 4 管状屏蔽体的电磁耦合 3 、混合型屏蔽电缆的耦合机理 混合型屏蔽电缆是由编织型与包容型的不同组合而构成的，其泄漏示意如图 3 5 所示。 ( a ) 结构示意图( b ) 电磁场泄漏示意图 潍 莲 2 0车载通信总线时域分析方法研究 图3 5 混合型屏蔽电缆电磁场泄漏示意图 混合型屏蔽层的屏蔽效能取决于每种屏蔽层的特性参数。混合型屏蔽电缆属 于多层屏蔽电缆，相对于单层的屏蔽电缆，它的辐射泄漏更小，屏蔽性能更好。 3 2 无耗传输线的瞬态传输过程【8 】 在激励源刚加到传输线上时，直到激励源在传输线上形成稳定的波形，这个 过程称为传输线的瞬态过程。在瞬态传输过程中，传输线源端和负载端上信号的 表现可能与激励源的形式大不相同，甚至会出现过冲等，因而对瞬态传输过程的 分析是十分必要的。 如图3 6 所示为一双线传输线，总长度为，源端和负载端为电阻月。和局，激 励源k ( f ) ，传输线源端电压为v ( o ，f ) ，负载端电压为v ( 1 ，f ) 。 r s v s ( t ) ： i ( z ，t ) ：l 1 i il ii ii z = oz = l 图3 6 双线传输线传输过程示意图 在负载z = ，处，前向波形将产生反射，电压反射系数为： f ，：_ v - ( t + l v ) ：生量( 3 - 4 ) r = 一= ； l v + q lf r l + z c 因此，负载阻抗处的发射波形可以用下式表示： v 一( t + l v ) = f v + o l v ) ( 3 - 5 ) 类似的，电流反射系数可以通过类似方法得到，而且是电压发射系数的负值1 8 】： 厂( t + l v ) = - f i + o i v ) ( 3 - 6 ) 负载端的反射情况如图3 7 。反射过程可以看作一个镜子，它产生了一个反射 波v 一和它的一个复制品旷，在y 一上的所有波形点都是旷上相应的波形点乘以反 射系数r 。负载处的总电压v ( t ，f ) 是两个单独波形在特定时间之和，如图3 8 所示。 第三章总线时域分析理论研究 2 1 蚝( f ) m y s | ) v s n l 氘 o - l 图3 7 负载端反射的镜面作用 蚝1 ) - - - - - - - - - + z - 0 ： 彻1 2 孚 图3 8 镜面作用 现在考虑源端，即z - - o 的情况，如图3 8 所示。当我们刚刚把一个源连接到线 上时，将在线上产生一个前向传播的波。在前向传播的波形到达负载端前，线上 不会产生后向传输的波，即后向波产生的时间延迟为： = l v ( 3 7 ) 在负载端反射过来的波也需要一个时间巧从负载端传播到源端。因此，在时 间0 ，2 1 v = 2 t o 内，在源端z = 0 处没有后向波形到达。也就是说，在2 乙时间 内，源端的电压和电流只包含前向波形v + 和i + 。因而有： 睑落 车载通信总线时域分析方法研究 v ( o ，f ) = v + ( t - o v ) i ( o , t ) ：，+ ( 川v ) ：_ v + ( t - o v )o s f 2 巧 ( 3 - 8 ) 厶c 在时间0 t 2 l v = 2 内，源端总电压和总电流的比即为特性阻抗z c ，就好 像传输线在这段时间内输入阻抗为z c 。因此，初始时刻前向传播的电压和电流是 跟电压源相关的，即： 脚2 丽l c o t 2 t d ( 3 9 ) 邶，) 2 意高2 乃 最初产生的前向波的脉冲前沿到达负载需要= l v 的时间，当脉冲达到负载 后，就产生一个反射脉冲，如图3 7 所示。这个反射脉冲的前沿到达源端也需要一 个额外的时间矗= l v 。在源端，可以简单的得到其反射系数： f 。：墅益 ( 3 1 0 ) 。 r s + z c 也就是入射波( 从负载端过来的后向波) 和他的反射波( 又反射会负载端的 波) 的比。因此就像在负载端一样，一个前向波在源端被反射向负载端传播。这 个前向波和入射的后向波( 最初从源端产生到达负载端后反射回来的波) 具有相 同的形状，只是在相应的点上降低了r 。这种重复的发射反射过程一直在源端 负载端之间持续。在任意时间，线上任意点的电压( 电流) 都是线上存在的所有 电压( 电流) 的总和。 如图3 4 ( a ) 的4 0 0 m 长的传输线。在时刻f = 0 ，一个3 0 v 的电压源连接到 源端( 设电压源内阻为o ) ，传播速度为1 ，= 2 0 0 m l z s ，特性阻抗乙= 5 0 q 。传输 线终端负载阻抗为1 0 0 欧姆，因此负载端反射系数为： f ，：1 0 0 - 5 0 ：一1( 3 1 1 ) 。 1 0 0 + 5 0 3 源端反射系数为： r s = 而0 - 5 0 = 一1 ( 3 - 1 2 ) 单程时间为= i v = 2 1 m s ，各时刻线上的电压如图3 9 所示，其中反射波用 虚线表示，最终线上的波用实线表示： 第三章总线时域分析理论研究 z = 0 z = 2 0 0 z = 4 0 0 z = 6 0 0 ( b ) t = l u s 。40v z = 0 z = 1 0 0z = 4 0 0 ( c ) t = 2 5 u s 4 0 v 3 0 v 广一_ _ _ _ _ _ _ _ _ 【d 1 3 1 ，：一 z ；。- 一七= 1 0 0 z = 4 0 0 1 0 v ( d ) t = 4 5 u s 图3 9 传输线各点电压叠加示意图 上图可见，当激励源为稳态源时，线上的信号最终会到达稳态。在信号到达 稳态之前，线上的电压电流和稳态时的电压电流完全不同，根据各个传输线端接 形式及特性阻抗的不同，这个瞬态过程中的电i j f c 电压可能达到一个很大的值。直 观上来看，传输线源端和负载端的电压可以表示为以下格式： y ( 。，f ) = 乏磊【珞o ) + ( i + f s ) r 工v s ( r 一