（电机与电器专业论文）车用can总线抗电磁干扰能力研究.pdf

a b s t r a c t r e s e a r c ho nc a nb u se l e c t r o m a g n e t i cs e n s i t i v i t ya p p l i e di nv e h i c l e y 口馏l o n g s h a n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d 咖p r o f e s s o rw a n gl i f a n g a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o nc a nb u se l e c t r o m a g n e t i cs e n s i t i v i t y ( e m s a p p l i e di n v e h i c l ei ss t u d i c d f i r s to f a l lt h r e et e s tp l a t f o r m sa r ec o n s t r u c t e dt ot e s tt h ec a nb u se m s t h e y a r em a i n l yc o n s i s t e do ft h eu c s 2 0 0 m ，c s w 5 0 0 de q u i p m e n t sp r o d u c e db y e m t e s tc o m p a n y t h e s ep l a t f o r m sa r es e tu pb a s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i c e o m p a t i b i l i t y s t a n d a r d so ff o r da u t o m o t i v e c o m p a n y , i s 0 7 6 3 7 - 3 ， i s o i1 4 5 2 4 ( b c i ) h o wt oc h o o s et h eu t pa n ds t pa st h ec o m m u n i c a t i o nm e d i u mo fc a nb u s a n dh o wt od e s i g nt h es t r o n ga n t i - j a m m i n ga b i l i t yo ft h ec a nn o d ea r es t u d i e db y t h e o r e t i c a la n a l y z i n ga n dt e s t i n go nt h et e s tp l a t f o r m s ，a c c o r d i n gt ot h et e s t i n g r e s u l t s s o m ef a c t o r so nh o wt oc h o o s et h eu t pa n ds t pa st h ec a nb u s c o m m u n i c a t i o nm e d i u m 批c o n c l u d e da n ds o m ea d v i c e so nh o wt od e s i g nt h e s a o n ga n t i - j a m m i n ga b i l i t yo ft h ec a n n o d ea r eg i v e n f i n a l l y ，an e wm e t h o di sp u t f o r w a r dt oi m p r o v et h ea n t i - j a m m i n ga b i l i t yo f t h e c a n b u s b yc o n n e c t i n gar e s i s t o rt oc a n h a n dc a h ld a t al i n e sr e s p e c t i v e l yw i t h g n da n dv c ct e r m i n a lo ft h ec a nr e c e i v e r , t h ed i f f e r e n c ev o l t a g el e v e li st ob e d r o p p e dd o w nt o ac e r t a i ne x t e n tt oa v o i ds o m en o i s e si n d u c e db yo u t s i d e e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t ，t h r o u g ht h e o r ya n a l y z i n ga n dt e s t i n go nt h ec a n b u st e s tp l a t f o r mb a s e do nt h ef o r da u t o m o t i v ee m cs t a n d a r d ，t h i sm e t h o di s v a l i d a t e dt ob ea b l et oi n c r e a s et h ec a nb u se m s k e y w o r d s ：c a nb u s , e l e c t r o m a g n e t i cs e n s i t i v i t y ( e m s ) ，c o m m u n i c a t i o nm e d i u m , p h y s i c a ll a y e r 论文答辩说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不含其 他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国科学院电工研究所或其他 研究教育机构的学位论文所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。 签名：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国科学院电工研究所有关保留，使用学位论文的规定，即：电工 研究所所有权保留并送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，电工研究所可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印，缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解码后也遵循此规定) 。 签名：导师签名：同期 第一章概述 1 1 课题背景及研究意义 第一章概述 随着时代的发展及有关汽车新法规的出台，对汽车行驶安全性、舒适性的 要求越来越高。相应的电子技术在汽车上的应用越来越广泛，汽车电子化程度 越来越高，特别是微控制器进入汽车控制领域后，给汽车发展带来了划时代的 变化，汽车的动力性，操控稳定性、安全性、燃油经济性都得到了大幅提升。然 而汽车上电子设备的大量应用，必然导致车身布线愈长愈复杂、运行可靠性降 低、增大故障维修难度。特别是2 0 世纪9 0 年代以来，电子控制单元大量引入 汽车，例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置( a b s ) 、安全气囊装置、电动门 窗装置、空调装置等等，控制器间用于数据交换的导线也越来越多按照传统 的点到点的布线方法，汽车线柬已非常庞大雨复杂，重量重，节点多。据统计， 一辆高档汽车的用线长度已达2 k m ，电气节点高达1 5 0 0 个“3 。另外，汽车电器 的布线是先将线制成线束，然后再把线束装在纵梁下等看不到的地方，这样， 一旦线柬出了问题，不仅查找相当麻烦，而且维修也很困难。并且由于每种车 型的长度、宽度以及电器安装位置都不相同。所以每种车型都要单独设计线束， 从而增加了设计和试制的难度，也增加了系统失灵时诊断的复杂性，最终增加 了用户和厂商的成本【2 j 。因此，采用有效方法减少汽车中线束数量和体积的需 求己越来越迫切。同时，由于汽车运行时要求大批的数据信息能在不同的电子 控制单元中共享，汽车综合控制系统中大量的控制信号也需要实时交换，即对 汽车内部通信网路的需求越来越大，整车运行参数共享己成为现代汽车网络的 特点【3 】1 4 l 。传统电器系统采用的点对点的通信方式已远远不能满足这种需求，在 汽车中采用现场总线c a n 技术已成为汽车工业发展的必然趋势。 电子电气设备在运行时会向周围发射电磁能量，可能对其他设备的正常工 作产生干扰，同时设备本身也可能受到周围电磁环境的干扰。电子技术在解决 汽车的经济性、安全性、舒适性等方面起着越来越重要的作用，但日益增加的 电子产品以及汽车的流动性特点，使得汽车工作的电磁环境非常复杂。如何解 决汽车电子设备的电磁干扰闯题，提高汽车的可靠性和安全性，成为一个非常 重要的问题。对于传统汽车环境，c a n 总线将面临着车内高压点火系统，各种 感性负载( 如：电机类电器部件) ，各种开关类部件( 如：闪光继电器) ，各种电 子控制单元e c u ，车载电气、无线电设备等电磁干扰源所产生的干扰。而对于 电动汽车这个问题则更为突出，因为电动汽车中的电子器件更多，如在驱动电 机过程中所采用的变频器、d c d c ，d c a c 模块，车内高压电源线以及电动机启 年用c a n 总线抗电磁十扰能力研究 停时都会产生较大的电磁干扰。从表i - i 所示的电动汽车与传统汽车电磁干扰 情况的对比结果可以看出电动汽车的电磁干扰环境比传统汽车要恶劣得多 因此电动汽车面临的电磁兼容性问题比传统汽车要更为严重。 表1 - 1 电动汽车与传统汽车电磁干扰比较 参数电动汽车传统汽车 工作电压1 0 0 v 至4 0 0 v1 2 v 至2 8 v 非线性负载线性负载 负载特性 ( 变频器，d c d c )( 继电器，电机，开关) 干扰特性干扰幅值大于1 0 0 0 v ，持续干扰幅值在2 0 0 伏以内，间断 另外，由于高机动性，汽车也可能会处于从低频到高频的电磁场中，由此产 生的电磁干扰耦合也会影响汽车电子电器系统的正常运行。有些干扰可能是暂时 的，影响很小的，譬如汽车音响系统受到的干扰。但是，有些干扰也可能是致命 的，可能造成严重的事故，譬如汽车的安全气囊在行驶过程中突然受到干扰触发。 自然现象对汽车也存在干扰，如闪电，它是一个非常复杂的过程，其电流超过 l o k f i ，上升时间不到l p s 。虽然汽车上直接的电击很少，但是闪电引起的场强很 大。车内乘客和座椅之间的摩擦以及汽车车身在行驶过程中与空气的摩擦都会累 积形成静电，高压静电放电时会影响电子设备的工作，甚至造成永久性破坏1 5 目前电动汽车中各个主要零部件主要通过c a n 总线进行通讯，形成一个能 够信息共享的交互平台。但对于电动汽车的电磁环境比传统汽车更为复杂，存 在着很多潜在的电磁干扰问题。而且电动汽车采用的是根据传统汽车电磁环境 定制的c a n 总线，这就给电动汽车c a n 总线系统的电磁兼容性 ( e m c - 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 ) 设计带来更大的挑战。如果c a n 总线的e m c 没有得到很好解决，这将会导致汽车电子电器协调工作的性能下 降，甚至无法正常工作，严重的可能造成事故以及其它不可估量的损失。 1 2c a r l 总线的e m c 研究及其国内外研究概况 1 2 1 电磁兼容( e m c ) 概述 根据国家军用标准g j b 7 2 8 5 电磁干扰和电磁兼容性名词术语第5 1 0 条， 电磁兼容性( e m c ) 的定义为：“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，即设备不会由于受到处于同一电磁环境中其它设备的电 磁发射导致或遭受不允许的降级：它也不会使同一电磁环境中的其它设备( 分系 统，系统) 因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级”电磁兼容学科主要研 2 第一章概述 究如何使处于同一电磁环境中的各种电子电器系统、分系统、设备和元器件都能 正常工作，互不干扰，达到兼容状态悯。 干扰源、耦合信道和被干扰对象构成了电磁干扰的三个要素。这三个要素的 其中一个要素被有效的抑制或保护即可消除电磁干扰。任何形式的自然现象或电 能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其它生物受到伤害，或使其 它设备，分系统或系统发生电磁危害，导致性能降级或失效，这种自然现象或电 能装置称为电磁干扰源。一般来说电磁干扰源可分为两大类：自然干扰源和人为 干扰源。 耦合途径即传输电磁干扰的信道或媒介。任何干扰的发生都必然存在干扰能 量的产生和传输途径。通常认为电磁干扰传输有两种形式：一是传导传输方式， 二是辐射传输方式。传导性耦合包括通过线路的电路性耦合，以及导体间电容和 互感形成的耦合。传导传输必须在干扰源和敏感设备之间有完整的电路连接。干 扰信号沿着这个连接电路传递到敏感设备，发生干扰现象。传输电路包括导线、 设备的导电构件、供电电源、公共阻抗、接地平面、电阻、电感、电容及互感组 件等。辐射传输是通过介质以电磁波的形式传播，干扰能量按电磁场规律向周围 空间发射。常见的辐射耦合有天线发射韵电磁波被另一天线意外接收，成为天线 对天线耦合，或者空间电磁场经导线感应而祸合。称为场对线的耦合。 敏感设备是指当受到电磁骚扰源所发射的电磁能量作用时，受到电磁危害， 导致性能降级或失效的器件、设备、分系统或系统。许多器件、设备、分系统或 系统可以既是电磁骚扰源又可以是敏感设备1 7 l 。 1 2 2c n 总线简介 c a n 是控制器局域网( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 的简称“，是德国b o s c h 公司在1 9 8 6 年为解决现代汽车中众多测量控制部件之间的数据交换而开发的一 种串行通信总线。由于c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性， 现已成为国际标准化组织i s 0 1 1 8 9 8 标准嘲，其主要特性如下： ( 1 ) c a n 采用多主方式工作，网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络 上的其它节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活； ( 2 ) c a n 信息帧采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，这样传输时间短， 受干扰的概率低； ( 3 ) c a n 协议废除了传统的站地址编码，而对通讯数据块进行编码，使网络中 的节点个数在理论上不受限制，网络中的不同节点同时接收相同的数据，使总线 上传输的信息总量减少； ( 4 ) c a n 网络上的信息可分成不同的优先级，满足不同的实时性要求； ( 5 ) c a n 采用非破坏性总线裁决技术( c s m a c d ) ，大大节省了总线冲突裁决时 3 车用c a n 总线抗i u 磁十扰能力研究 蚓。最重要的是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可 能) ； ( 6 ) c a n 网络具有点对点、一点对多点和全局广播等几种通讯方式； ( 7 ) 具有极好的检错效果，c a n 的每帧信息都具有c r c 校验和其他检错措施， 保证了错误的输出率极低： ( 8 ) c a n 的直接通讯距离最远可达l o k m ( 速率5 k b p s 以下) ，通讯速率最高可达l m b p s ( 此时距离长达4 0 m ) ，最多可接节点达l l o 个 i 2 3c a n 总线的e m o 研究 c a n 总线系统作为汽车的子系统，其电磁兼容性可以透过测试整车e m c 间接地 确定。标准i s o1 1 4 5 1 和标准c i s p r2 5 分别给出了整车抗扰性和辐射的测试方法 “。然而，整车测试不但费用昂贵，而且只能在开发的后期进行。如果因为某个 组件或者集成电路导致测试失败，将造成巨大损失。 为避免损失。可通过测试组件或集成电路的e m c ，预先评估c a n 总线的e m c 。 这样不但能提前发现问题。而且非常经济。s a e 和i s o i e c 已经制定了几种组件 级的测试方法，为组件级e 眦测试提供了通用的框架。 根据i s o l l 8 9 8 - 2 的7 2 2 2 要求，c a n 总线应满足i s o7 6 3 7 3 测试脉冲3 a 和3 b 的测试要求。 图i - i 为c a n 总线系统结构图。汽车中的c a n 总线系统由一系列的网络节点通 过总线相互连接组成。总线可看作是接收和发射电磁能量的天线，充当能量耦合 的环节，网络节点既是干扰源又是被扰对象。影响c a n 总线系统e m c 的两个要素是 线柬的e m c 耦合和网络节点的e m c 。只有处理好这两个要素才能使车内的各个电子 设备可靠地工作，同时c a n 总线又不向外辐射对其他电子设备产生干扰。 1 2 3 1 国外研究概况 图i - ic a n 总线系统结构图 ( 1 ) 各汽车发达国家，相关国际组织及各大汽车厂商都制订了相关的e m c 标准 测试规范 全球各大汽车制造商根据自身对汽车电磁特性的积累，参照i s 0 7 6 3 7 ，制定 出了各自的汽车电器电子零部件电磁特性测试规范。 4 第一章概述 1 ) d a i m l e r c h r y s l e r 汽车公司“” 根据d a i m l e r c h r y s l e r2 0 0 5 年5 月发布的e m cp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s 一一 c o m p o n e n t s 中9 2t r a n s i e n td i s t u r b a n c e sc o n d u c t e da l o n gi oo rs e n s o r l i n e s 的要求，其测试信号采用i s o7 6 3 7 “”的测试脉冲2 和自定义的测试脉冲a 和 b 。图卜2 是和表卜2 是脉冲2 的波形和参数，图1 - 3 和表卜3 为测试脉冲a 的波形和 参数，图1 - 4 和表1 - 4 为测试脉冲b 的波形型和参数。 图i - 2 测试脉冲2 波形 图i 一3 测试脉冲a 波形 图1 4 测试脉冲b 波形 表l 一2 测试脉冲2 的参数 1 2 v “出_m v “ u , i v o 虬vm棚 9 帖帖 r h h 5 表l - 3 测试脉冲a 的参数 0 _ 表i - 4 测试脉冲b 的参数 1 2 v j l m m “v 在测试方法上，d a i m l e r c h r y s l e r 除了i s o7 6 3 7 的测试方法外，还增加了电 容直接耦合( d i r e c tp i nc a p a c i t i v ec o u p l i n g ) 测试方法。 2 ) 例汽车公司n 3 1 5 车用c a n 总线抗i u 磁十扰能力研究 根据g m2 0 0 3 年发布的g i - p # 3 0 9 7 规范中3 5 3c i ，c o u p l i n gt oi oo t h e rt h a n p o w e rs u p p l yl i n e s 和3 5 4c i ，d i r e c tc a p a c i t o rc o u p l i n gt os e n s o rl i n e s 的要求，其测试脉冲选用i s o7 6 3 7 的测试脉冲3 a 、3 b 和2 ，但测试方法规定为电 容直接耦合测试方法，可选电容耦合钳( c a p a c i t i v ec o u p l i n gc l a m p ) 测试方 法。 3 ) f o r d 汽车公司“” 与d a i m l e r c h r y s l e r 和g m 不同，在对除电源线外其它线路上的电磁特性进行 测试时，f o r d 的e s x w 7 t i a 2 7 8 - a c 标准没有采用i s o7 6 3 7 3 的测试方法，而是采 用了一种非常特殊的测试方法。它采用平行导线耦合测试信号，其测试信号由机 电继电器构成的机械式无稳态电路产生干扰，并规定了所用继电器的型号和使用 寿命。 同时针对c a n 总线的差分传输特性，文章“介绍了一种方法，该方法如图1 5 所示。该方法实际上是电容直接耦合的测试方法在差分信号传输中的应用。 阔i - 5 电容直接耦合测试 ( 2 ) c a n 总线的e m i 特性研究状况 文章“”“”对c a n 总线的e m i 进行了分析实验，指出对c a n 总线e m i 的影响主要 来自两个方面：1 低频信号传输产生的谐波信号；2 高频数字信号。依据c i s p l i 2 5 的要求对c a n 总线的e m i 进行了实验分析，通过测试发现。其产生e m i 的根源在于 信号的边缘跳变和振铃作用，应对c a n 收发器p c a 8 2 c 2 5 0 设置合理的斜率电阻。最 后得出：车内c a n 总线是一个电磁交互的一个源，通过平滑信号的边缘( 斜率电阻) 和使用双绞线是减少叫i 的有效方法。 ( 3 ) c a n 总线的e m s 研究状况 文章。“中，4 个分别安装在实车前部、前右和后部的e c u 通过c a n 总线进行 通讯，并利用c a n 总线的物理层上的光纤电路连接到暗室中的c a n 分析仪上，来观 测c a n 总线的通讯情况。把不同频率范围的天线放在车的不同部位，对总线进行 i m h z 到1 g h z 的射频干扰，并对不同的传输介质进行了比较，得到除y 2 0 ，5 蛐z 6 第一章概述 外，在c a n 总线抗射频干扰能力方面，非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线没有明显差别， 扁平导线则次之。因此在高速c a n c p 不建议用扁平导线，可采用非屏蔽双绞线， 由于非屏蔽双绞线较便宜。 针对c a n 总线抗e m i 、e s d 的问题，文章“”啪中对其进行了分析。对高速c a n 、 容错c a n 和单线c a n 分别进行了分析。通过在c a n 总线的c a n i ，c a n l 上采取t v s 、m o v 、 共模滤波器、高低频滤波电容等措施，对总线的抗干扰能力进行了测试，利用 i s 0 7 6 3 7 一i 的脉冲l 和2 ，i s 0 7 6 3 7 3 的3 a 、3 b 脉冲，i e c 6 1 0 0 0 4 2 i e c 6 1 0 0 0 4 5 的脉冲进行了实验，最终得到了几条指导性的建议。 1 2 3 2 国内研究概况 从国内情况来看，对汽车电磁兼容性的重要性认识也在逐渐提高。目前，我 国汽车公司在上海，长春、天津、襄樊等国家汽车质量检验中心也都建成了自己 的整车电磁兼容实验室。多年来，我国也制订并修订了相应标准，1 9 9 2 年颁布了 g b l 4 0 2 3 9 2 车辆、机动船和火花点火发动机驱动装置无线电干扰特性的测试方 法及允许值强制性国家标准，对汽车向环境辐射的电磁波干扰作了限制。1 9 9 8 年颁布t g b l 7 6 1 9 1 9 9 8 机动车电子电器组件的电磁辐射特性限值和测量方法。 2 0 0 3 年国家质量监督检验检疫总局发布t g b t 1 8 3 8 7 2 0 0 1 电动车辆的电磁场辐 射强度的限值和测量方法，宽带9 k h z 一3 0 m h z 。目前正在按照i s 0 7 6 3 7 的标准制 定我国汽车电子的标准，其中第1 、2 部分已通过审定，第3 部分还在修订之中。 现在我国吸收国外发达工业国家的经验，逐步由标准管理过渡到法制管理，己经 将汽车、摩托车的电磁兼容性能指标列为强制性检测项目瞄1 。然而车用c a n 总线 的e m c 方面的相关研究结果还没见到报道。 1 3 本文的主要工作及章节安排 本文的研究对象为车用c a n 总线的抗干扰能力研究。第二章依据f o r d ， i s 0 7 6 3 7 3 ，i s 0 1 1 4 5 2 4 电磁兼容性标准及f 瑚t e s t 公司的设备搭建了测试c a n 总线 抗干扰能力的测试平台，为后续测试奠定了基础。第三章通过对单芯线与c a n 总 线通讯介质的电磁场耦合机理的分析，得到了影响其抗干扰能力的因素，并在基 于f o r d 电磁兼容性标准所搭建的c a n 总线测试平台上进行了对比实验验证。第四 章通过对c a n 节点物理层参数对总线抗干扰影响的理论分析，以及在基于 i s 0 7 6 3 7 ，i s o l l 4 5 2 4 电磁兼容性标准所搭建的c a n 总线测试平台上进行的对比实 验验证，得到了一些设计具有较强抗干扰能力的c a n 节点的建议。第五章提出了 一种采用极化电阻提高总线抗干扰能力的新方法，并在基于f o r d 电磁兼容性标准 所搭建的c a n 总线测试平台上进行了实验验证第六章对全文进行了总结，并提 出了下一步工作的重点。 7 第- 二章 总线抗扰度测试平台建设 第二章c 州总线抗扰度测试平台建设 一个电子产品的可靠性主要体现在其电磁兼容性，而一个良好的电磁兼容 测试环境是评价其电磁兼容性的首要问题，电磁兼容测试环境的好坏直接关系 到其测试的准确性，客观性和一致性。为后续实验测试需要，在本章中搭建了 3 个基于不同电磁兼容性测试标准的c a n 总线抗干扰能力测试平台。 2 i 基于福特( f o r d ) 汽车的c a n 总线抗扰度测试平台建设o ” 福特汽车的电磁兼容性标准e s 一期7 t l a 2 7 8 一a c 对汽车零部件规定了包含所 有频率带宽所采用的测试办法及要求，取代了过去f o r d 公司的 e s x w 7 t i a 2 7 8 - a b 电磁兼容性标准，其中数据线传导瞬态抗扰度测试即是 e s x w t t i a 2 7 8 一a c 其中的一项测试，由于其所需的设备简单，易于建设实验环 境，故在实验室最先搭建了基于该测试标准的c a n 总线抗瞬态传导干扰测试平 台。 1 ) 目的及方法 通过串有继电器的单芯线与总线通讯介质进行平行耦合，将继电器开断时 产生的干扰通过单芯线与总线通讯介质的电磁耦合，将干扰注入到总线中，用 以评价c a n 总线对抗通过线路之间的分布电容和电感耦合进来的抗瞬变传导干 扰的能力，以考察c a n 总线对抗经受因切断电感性负载( 包括继电器、接触器等) 时耦合过来的快速瞬变干扰的能力 2 ) 实验配置 数据传输线。选用长度为1 7 0 0 m + 3 0 0 m m - o 珈n 的通讯介质： 电源。其中给继电器供电的1 2 v 蓄电池，给c a n 节点e c u 供电的7 v 的线 性电源； 继电器( k u p - 1 4 a 1 5 1 2 ( p b ) ) 。该继电器是f o r d 汽车所指定的继电器 型号： 测试设备。通过使用德国v e c t o r 公司的c a n 总线数据检测设备c a n o e 来检测总线上的数据，错误帧数及对总线周期性消息的实时性，以及用来观测 总线信号的t d s 3 0 3 4 b 数字示波器： 接地板。接地板为金属薄板，厚度为l 姗。接地板的最小尺寸为2 t a xi m ， 但最终尺寸取决于被试设备大小 3 ) 实验要求 l 、实验环境温度为2 3 + 5 ： 2 、e c u 供电系统电压7 i v 。继电器供电电压1 2 o 2 v s 车用c a n 总线抗电砒十扰能力研究 3 、对于连续和短暂的耦合扰动，部件应保持抗干扰性。如果要求仪器在电 磁干扰下操作无偏差，需要达到的要求见表2 - 7 。 表2 7 耦台抗干扰性要求 性能指标状况 要求频率电平 a 类b 类c 类 对瞬时感应r i l 3 0 的抗干扰性n a+ 1 0 0 ，_ 2 8 0 v +lll + 列出来的数据只是基于测试结构的近似数据。实际的测试出来的数据可能比 该值高2 0 - 5 0 4 参考接地板为金属板，并将参考接地板接实验室的接地端子。除非被试 设备外壳与底盘相连，并且有它自己的接地连接，否则被试设备仍需放在接地 板上，其问用厚度为5 0 至1 0 0 m m 的绝缘垫隔开。 5 连接两个c a n 节点的电源线与c a n 通讯介质之间的间距为保持6 m m 6 所有被测试设备和测试设备到接地平板边缘的距离大于等于1 0 c m ： 4 ) 实验布置 夺 实验前确保所有测试设备和被测设备均完好； 按照图2 - 7 的要求搭建测试台，将被测试设备放在绝缘板上，绝缘板的 绝缘系数er 1 5 0 0 m m 测试桌高度为 9 0 0 1 0 0 m m ： b - d u t 应该放在5 0 5 m m 厚的绝缘块上； d u t 到墙的距离应该大于5 0 0 m m ： d u t 的表面到接地参考平板边缘的距离应该大于1 0 0 m m ； 夺 线束应该放在5 0 5 m m 厚的绝缘块上； 线束长度为1 0 0 0 1 0 0 r a m ： 夺线束应从电流监测钳和电流注入钳的中心穿过； 电流监测钳到d u t 之间的距离为5 0 1 0 m m ； 夺电流注入钳到d u t 之问的距离分为两种情况： 钔闭环法：9 0 0 1 0 m m 协替代法：1 5 0 1 0 r a m ；4 5 0 1 0 m m ；7 5 0 1 0 m m 为了得到要求的共模阻抗，应该通过线路阻抗稳定网络( 5 t t h 1 1 t f ) 给d u t 供电，当电源返回线长度大于2 0 0 m m ，需要两个线路阻抗稳定网络，一个接到 正极，一个接到负极，如图2 1 3 所示；否则，只需要一个线路阻抗稳定网络连 接到j 下极，负极接参考地板，如图2 1 4 所示。 图2 - 1 3 当电源返网线长度大于2 0 0 m m 时图2 1 4 当电源返回线长度小于2 0 0 m m 时 1 6 车用c a n 总线抗电磁干扰能力研究 图2 1 5i s o l1 4 5 2 - 4 实验布置图 设备名称： 1 c a n 节点2 c a n 通讯介质3 高频设备( c w s 5 0 0 d ) 4 电源5 线路阻抗稳定网络6 电流注入钳 7 可选的电流监测钳8 绝缘支撑 9 接地参考平板( 与实验室地相连) l o 接参考地线 4 ) 实验波形 2 0 0 0 年版的i s o l l 4 5 2 - 4 采用的参考值为净功率( 净功率= 正向功率一反 向功率。正向功率即经由放大器放大之后的射频信号功率，反向功率即经由电流 监测钳构成的反馈系统所反射的功率) ，其功率限值为闭环校准时的校准功率 p c a l ，信号发生器把经过l k h z ，调制深度为8 0 的正弦信号调幅调制，频率范 围从1 m h z 到4 0 0m h z 的测试信号施加到被测设备的线束上，最终在线束上 产生如图2 1 6 所示的相应电流等级对应的电流值。实验需采用替代法和闭环方 法，其中替代法即开环法，将图所示的7 设备( 电流监测钳) 去掉；闭环法， 则需用7 设备( 电流监测钳) ，与6 设备( 电流注入钳) 及3 设备( c w s 5 0 0 d ) 构成一个闭合的通路。 电0 花( m a ) 十i l e v e l 4 m o lr 一 ，5 | 卜型 卯i 卜业 l ll , c v c l l 2 5 fr 一 o l 志1 荔_ 上_ j 拓劭溺文m h z ) 图2 - 1 6 注入电流等级 5 ) 电流注入钳的校准 由于当使用未校准的正向功率时，其产生的射频电流并非所需的电流波形， 具体如图2 1 7 所示。当对正向功率校准后，其产生的射频电流才是i s 0 1 1 4 5 2 - 4 7 第二章c a n 总线抗扰度测试平台建设 中所要求的电流波形，具体如图2 1 8 所示。所以，在实验前必须对电流注入钳 进行校准。 电 图2 1 7 未校准前产生的射频电流 4 0 0 频率( 图2 一1 8 校准后产生的射频电流 具体校准电路图如图2 1 9 所示，将电流注入钳放在校准夹具中，并将其用 同轴电缆通过一个3 d b 1 0 0 w 的衰减器与高频设备c w s 5 0 0 d 的射频输出端相 连，同时在校准夹具的一段通过两个2 0 d b 的衰减器与c w s 5 0 0 d 的检测端口相 连，在校准夹具的另一段则与一个5 0 欧姆的终端电阻相连。 图2 - 1 9 电流注入钳校准电路图 在做不同标准的各个等级实验前，都需对电流注入钳进行校准，并可将该 标准的该等级的校准数据存储起来，以备以后直接调用，而无需再对电流注入 钳进行校准。该过程可通过c s w 5 0 0 d 相对应的控制软件i c d 3 2 进行。 6 ) 测试频率步长及驻留时间 由于i s o l l 4 5 2 - 4 的测试信号是从1 m h z 到4 0 0 m h z 的频率范围，所以其在频 率扫描的过程中，其频率增长的步长应遵循i s 0 1 4 5 2 1 标准的要求，如表2 1 5 1 8 车用c a n 总线抗电磁千扰能力研究 所示： 表2 1 5 不同频率范围与频率步跃的对应表 频率范围f ( m h z )最人频率步长( m h z ) l k 1 0i l o f b ，有： 第三章通讯介质对c a n 总线抗干扰能力研究 州一：哇 ( 3 - 1 5 ) 此时，感应的电压不随频率的增加而增加，而是一个常数，而这个常数与 没有屏蔽层时的感应电压的差值即是该屏蔽层的屏蔽效果。所以减小屏蔽层自 身的电阻和电感之比可提高屏蔽层的屏蔽效果。提高抗干扰能力。 3 3 单芯线与非屏蔽双绞线耦合机理分析 由于非屏蔽双绞线本身不具有对电场的抗干扰能力，在此仅对其进行磁场 耦合分析。为分析单芯线与非屏蔽双绞线磁场耦合机理，首先对单芯线与非屏 蔽平行线的磁场耦合机理进行分析。如图3 7 所示为非屏蔽平行线与单芯传输 线间的耦合电路图，图3 8 为其等效的耦合电路图。 图3 - 7 耦合电路图图3 - 8 等效耦合电路图 由图3 8 等效耦合电路图可知，干扰回路在被干扰线路引起的干扰电压为： 吒= j o j m x s x l ( 3 1 6 ) 其中：m 为单位长度的互感，即： 膨。老州d 7 曰) 2 + 1 】 i - v m ( 3 - 1 7 ) 4 霈 (1 7 ) i 为干扰回路的电流，即， ，= 毛，( 马g + 坞+ 归厶x s ) ( 3 1 8 ) 所以被干扰线路终端产生的干扰电压& 为 最= 雨蠡吒= 币f l 币o r i m 面x s 两瓦瓦忑e o x s + j a i l z 面3 - 1 9 ) r + 咒+ 加厶s 蜀+ 吃+ 弦厶( + 焉 s ) 对于双绞线的磁场耦合分析，只需对平行线与单线耦合的计算结果进行一 定的修正w 即可得到所以对于双绞线，单芯线产生的干扰电压在双绞线终端 感应的干扰电压巨，相应的为： 车用c a n 总线抗电磁干扰能力研究 l 胁( 华) 吼r2 争i 参n ( ，2 0 ) 口为相邻两个扭结回路的电流相位角，l l p 口= 2 x d 2 = 物s ( n x ) ( 3 2 1 ) 耻专磊瞄磊一car，,msxeo z 2 ， 3 4 实验验证及分析 3 4 1 实验平台 本实验采用第2 章基于福特( f o r d ) 汽车标准所搭建的c a n 总线抗干扰 能力测试平台上进行实验。 3 4 2 实验软件 软件采用发送节点发4 帧消息，每帧消息都是8 个字节数据，而且选用其 中的l 条数据帧信息用于调节总线的负载率，其余3 条数据帧是周期性的消息， 周期分别是5 毫秒，l o 毫秒和2 0 毫秒，但每次发送的帧的数据不同，5 毫秒的 消息是在每次的最后一个数据字节都在上一帧的最后一个数据字节基础上加l ， 当加到l o 的时候，再回到0 ，以后再继续按此规律进行处理，帧的其它7 个数 据字节数据都是5 5 。1 0 毫秒的消息是在倒数第二个字节上按同5 毫秒的消息 同样的方法进行处理，2 0 毫秒的消息是在倒数第三个字节上按同5 毫秒的消息 同样的方法进行处理。这样可以监测出节点在发送数据帧的时候是否出现因干 扰而丢失帧的情况。而对于周期性的消息，可以监测其在实验中是否因受干扰 而出现发送延时，造成较差的实时性。实验中将在实验期间( 1 分钟) 总线上 的所有数据都记录下来，来分析其总线数据的实时性及发送的数据情况。在接 收节点上也发送一帧消息，其i d 较大。优先级较低，以保证发送端的周期性数 2 5 第三章 通讯介质对c a n 总线抗干扰能力研究 据能够发出。 3 4 3 实验结果及分析 根据基于f o r d 汽车电磁兼容标准所搭建的c a n 总线系统实验平台对不 同的双绞线进行了测试，并对不同的屏蔽双绞线，不同的非屏蔽双绞线，屏蔽 双绞线与非屏蔽双绞线的抗干扰能力进行了对比分析。 3 4 3 1 不同通讯介质与周期性消息实时性的关系图 图3 - 9c a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( e ) 分别为总线采用不同传输介质时，5 m s 周期 性消息的实际发送周期波形图。从图中可以看到施加干扰时，其周期性消息的 实际发送周期与预定的发送周期发生了偏差，其实时性受到了影响。究其原因， 是由于c a n 总线在发送消息帧过程中受到干扰而在总线上出现错误帧，进而要 求发送节点重发该消息帧，直到被正确接收，因此c a n 总线消息帧的接收准确 率为1 0 0 ，即不存在错误接收的情况，只存在接收延时的情况。总线系统受干 扰的情况越严重，则接收的延时时间越长，周期性消息的周期抖动越频繁。同 时可以从图中看出：当c a n 总线采用屏蔽双绞线l ，2 ，3 时，其5 m s 消息的 发送周期抖动依次降低，可以说明，当c a n 总线采用屏蔽双绞线l ，2 ，3 时， 其信号线所受到的干扰依次降低，总线因错误而重发的几率依次降低，说明通 讯介质的抗干扰能力依次增强。而当c a n 总线采用非屏蔽双绞线时，对于发送 周期为5 m s 的消息，采用非屏蔽双绞线l 比采用非屏蔽双绞线2 的实际发送周 期抖动频繁，说明采用非屏蔽双绞线l 比采用非屏蔽双绞线2 总线所受到的于 扰要强，因错误重发的几率要高，即非屏蔽双绞线l 比非屏蔽双绞线2 的抗干 扰能力要弱。 i 1 r r 5 i h 。一i o 珠 ； t _ | 羔：二 ；il ；l ：二：i ：一 j zj 一 | i l犷 l 1 1 ( a ) 采用非屏蔽双绞线l 时 2 6 车用c a n 总线抗电磁干扰能力研究 i ： ： ； 1 l ； - li 一 一 !i一 _ 一日一 | | ：i ! i ( b ) 采h j 非屏蔽双绞线2 时 ( c ) 采用屏蔽双绞线i 时 i：li_ ：一二二二 ：i； f j 1 黔。 二二r f 一_ 一 一 l ； ( d ) 采用屏蔽双绞线2 时 2 7 第三章 通讯介质对c a n 总线抗干扰能力研究 。： 用屏蔽双绞线3 时 图3 采用不同通讯介质时5 m s 周期性消息的实时性图 3 3 2 屏蔽双绞线对比测试及分析 种屏蔽双绞线除表3 1 中所列的几项参数不同外，其单位长度扭 结数，屏蔽层材料、厚度以及覆盖率均相同。图310为不同屏蔽双绞线抗 干扰对比图，从中可以看出将这三种屏蔽双绞线的屏蔽层接地后，比其不 接地干扰能力有了明显提高，起到了屏蔽作用，但屏蔽效果并不相同，其 中屏绞线3 最好，2 其次，l 最差。 l 测量仪对其电阻，电容，电感进行测量，如表3 1 所示。依据所 测得据，可以看出屏蔽双绞线1，2的rsls基本相同，所以其磁场屏蔽效 能基同，但其传输线与屏蔽层间的分布电容不同。根据前面对屏蔽双绞线 电场机理的分析，可知在将屏蔽层接地后，屏蔽层与中心导体之间的分布 电容响其对电场的抗干扰能力，分布电容越小，其对电场的抗干扰能力越 强。屏蔽双绞线2比l的分布电容小，所以采用屏蔽双绞线2作can通讯 介质蔽双绞线l在同等的干扰下产生的错误帧少。而由表3-1所示，屏蔽 双绞比l，2的rsls小，根据前面322节对单芯线与屏蔽双绞线磁场耦 合机分析。屏蔽双绞线3的屏蔽效果要优于屏蔽双绞线1，2，同时由于屏 蔽双3的屏蔽层与中心导体之间的分布电容比屏蔽双绞线l，2的要小，根 据前21节对单芯线与屏蔽双绞线电场耦合机理的分析，其对电场的抗干扰 能力强于后两者，所以在同等的干扰作用下，用屏蔽双绞线3作为can总 线的介质比其他二者产生的错误帧少。 车用c a n 总线抗电磁十扰能力研究 图3 1 0 不同屏蔽叔绞线抗干扰能力对比图 表3 1 三种屏蔽双绞线的参数 屏蔽层电阻r 聊蔽层电感l si l s l s电容( 导线与屏 屏蔽双纹线 ( q )( ph )( q i th ) 蔽层问) lo 0 4 6 8l r 72 7 5 2 6 2 p f 2o 0 3 8 8 i 4 2 77 2 2 7 p f 3o 0 2 2 51 41 6 1 t 3 0 p f 3 4 3 3 非屏蔽双绞线对比测试及分析 在同样的系统实验平台对不同的非屏蔽双绞线进行了测试，可得如图3 1 l 所示两种非屏蔽双绞线和一种平行线的抗干扰能力对比图。可以看出，三种传 输介质在相同的干扰下，其总线上出现的错误帧数也不相同。其中非屏蔽双绞 线l 和2 是两条除单位长度的扭结数不同外，其余参数均相同。可以看到单位 长度的扭结数越多的非屏蔽双绞线其产生的错误帧数越少。根据前面第3 3 节 对单芯线与非屏蔽双绞线的电磁兼容性分析可知，双绞线的双绞特性使其具有 较好的磁场屏蔽特性，对于单位长度扭结数越多的双绞线，其磁场屏蔽特性越 好，可以屏蔽更多的磁场干扰，进而总线上产生的错误帧也相应的减少。但终 究没有屏蔽电场的效能，所以仍有较多的错误帧。丽对于乎行线来说，其不具 有磁场屏蔽的效能，所以产生的错误帧数最多。 图3 - 1 l 不