（车辆工程专业论文）双绞线在车用can总线中的抗干扰特性测试及研究.pdf

摘要 摘要 c a n 总线因其响应时间快可靠性高等特点在现代汽车上得到了广泛应用。 但随着车上电器设备的增多，车上电磁环境变碍愈发恶劣，c a n 总线正常通信 也因此会受到电磁干扰影响。为了保证c a n 总线系统具有必要的抗电磁干扰性 能，同时降低成本，需要合理地选择c a n 总线传输介质。 车用c a n 总线最常用的传输介质是双绞线，包括非屏蔽双绞线( u t p ， u n s h i e l d e dt w i s t e dp a i r ) 和屏蔽双绞线( s t p ，s h i e l d e dt w i s t e dp a i r ) 。从理论上 来说屏蔽双绞线因带有屏蔽层，应该比非屏蔽双绞线具有更好的屏蔽效果和抗 干扰性能。但在车用c a n 总线的实际使用中有时会遇到相反的情况，即有时使 用屏蔽双绞线的抗干扰性能反而没有使用非屏蔽双绞线好。这就使我们对两者 的选择产生了疑问。本文的目的就是期望能解决这一疑问，给出符合车用c a n 总线实际情况的结果。 为了解决这一疑问，本文首先分析了c a n 总线干扰机理和干扰路径。然后 根据分析所得的干扰机理和路径及相关测试标准，制定了测试方案和具体测试 方法。测试方案中包括了传导和辐射两方面的干扰，分别选用了i s 0 7 6 3 7 和 g b l 7 6 1 9 标准。为了能够进行测试，在详细了解了c a n 总线协议标准并分析了 影响c a n 总线抗干扰性能的因素之后设计了测试装置的软硬件。然后按测试规 划进行了测试得到了测试结果，并根据测试结果和事先制定的测试评价方法进 行了分析得出了试验结论。同时，论文中还对双绞线和其他c a n 通信模块的成 本作了调查和分析比较，最后对如何合理选择用于车用c a n 总线系统的双绞线 提出了建议和注意点。 关键词：车用c a n 总线、屏蔽双绞线、非屏蔽双绞线、抗干扰性能 a b s t r a c t a b s t r a c t c a n b u sh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h em o d e ma u t ob e c a u s eo fq u i c kr e s p o n s e a n dh i g h r e l i a b i l i t y b u t w i t ht h ei n c r e a s eo fe l e c t r i c a l e q u i p m e n ti na u t o ， e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n th a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yp o o ri na u t o i no r d e rt oe n s u r e t h ea n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e p e r f o r m a n c ea n dr e d u c ec o s t s ，w es h o u l d c h o o s er e a s o n a b l ec a nb u st r a n s m i s s i o nm e d i u m ，n l em o s tc o m m o nt r a n s m i s s i o nm e d i u mo fv e h i c l ec a n - b u si st w i s t e dp a i r , i n c l u d i n gu n s h i e l d e dt w i s t e dp a i r ( u t p ) a n ds h i e l d e dt w i s t e dp a i r ( s t p ) i nt h e o r y , s h i e l d e dt w i s t e dp a i rs h o u l dh a v eab e t t e ra n t i - i n t e r f e r e n c es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s sa n d p e r f o r m a n c et h a nu n s h i e l d e dt w i s t e dp a i rb e c a u s eo fi t ss h i e l d b u ti nt h ea c t u a lu s e o fv e h i c l ec a nb u s ，t h eo p p o s i t es i t u a t i o nm a ys o m e t i m e so c c u r t m sb r i n g su st h e p r o b l e m ，h o wt oc h o o s et r a n s m i s s i o nm e d i u mo fv e h i c l ec a n - b u s t h ep u r p o s eo f t h i sp a p e ri se x p e c t e dt os o l v et h i sp r o b l e m ，t og i v et h ea c t u a ls i t u a t i o ni nt h ev e h i c l e c a nb u s t os o l v et h i sp r o b l e m ，if i r s t l ya n a l y z et h ec a nb u si n t e r f e r e n c ep r i n c i p l ea n d i n t e r f e r e n c e p a t h t h e nb a s e d o nt h e a n a l y s i s o fi n t e r f e r e n c e p r i n c i p l e a n d i n t e r f e r e n c ep a t ha n dt h er e l a t e dt e s t i n gs t a n d a r d s ，id e v e l o pat e s tp r o g r a m m ea n d s p e c i f yt e s t i n gm e t h o d s t h et e s tp r o g r a m m ei n c l u d e st w ok i n d si n t e r f e r e n c ej u s tt h e c o n d u c t i o ni n t e r f e r e n c ea n dr a d i a t i o ni n t e r f e r e n c e f o rt h e s et w ok i n d si n t e r f e r e n c e i s 0 7 6 37s t a n d a r da n dg b17 619s t a n d a r da r es e l e c t e da st e s ts t a r d a r d i no r d e rt ob e a b l et ot e s tt h ep e r f o r m a n c e id e s i g nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft e s td e v i c e t h e n1 w r i t et h et e s tp l a na n dm a k et h et e s t i na c c o r d a n c e 、i t ht h et e s tr e s u l t sa n dt h e a d v a n c e de v a l u a t i o nm e t h o d ，id r a wt h et e s tc o n c l u s i o n s m e a n w h i l e ，i nt h ep a p e rt h e c o s to ft w i s t e d p a i ra n dt h ed e v i c e so fc a nc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea l s ob e i n v e s t i g a t e da n da n a l y s e d a tl a s t ，im a k er e c o m m e n d a t i o n sa n da t t e n t i o np o i n t sf o r t h er e a s o n a b l ec h o i c eo nt w i s t e d - p a i ro fv e h i c l ec a nb u ss y s t e m 。 k e yw o r d s ：v e h i c l ec a n b u s ，s h i e l d e dt w i s t e dp a i r ，u n s h i e l d e dt w i s t e dp a i r ，a n t i i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c e i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e i 届j j 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 两趁及茎 沙少年干f jf 妇 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：死墨艮生 泸。己年十月i 1 i j ( c ：+ c ：。) 时 v 2 与频率无芙。v 2 的大小仅由c 1 2 和c 2 0 的比值决定，用f 式( 12 ) 叫求出近 似值： ， k = 二一v ( 12 ) c 1 2 + c 2 0 如果对地电阻很小，即r 1 ，则以上式子可以简化为 4n h t2 万万赫凰( 15 ) ，( p 一1 ) + 2 ( p + 1 ) ”、7 如果，= 1 ，则可得出 月一 h i2 丽 j * p + z l p + l jh o2h o( 1 - 6 ) ，( p 一1 j + z l p + l j 、7 式( 1 6 ) 说明a ，= 1 时管道内外的磁场强度是相同的，管道没有起到磁场屏蔽 的作用。由此可见，像铜和铝这一类a ，1 的材料是不具有磁场屏蔽作用的。 以上是磁场屏蔽的基本原理，但除旁路效应外还有另一种形式的磁场屏蔽 作用，即通过导体屏蔽层中产生的旋涡电流进行磁场屏蔽。因为在高频磁场中 导体屏蔽层中将会产生旋涡电流，旋涡电流会在屏蔽体内产生相反的磁场，从 而部分抵消原来的干扰磁场起到磁场屏蔽的作用。 1 3 3 4 电磁场屏蔽 对于电磁场屏蔽的机理，现有两种不同的解释方法。虽然两种解释互不相 同但本质是一样的【13 1 。 第一种解释是通过场的叠加来描述电磁屏蔽机理。在一次场( 源引起的场) 的作用下，屏蔽表面因受到电磁感应而产生电荷，其壁内产生电流和磁极化。 这些电荷、电流和极化产生二次场。二次场和一次场叠加形成合成场。在被屏 蔽的区域内，二次场往往起到削弱一次场的作用。因此合成场要弱于一次场， 即屏蔽体起到了屏蔽作用。 第二种解释是把电磁屏蔽的作用归因于屏蔽层的屏蔽反射和对电磁能流的 1 6 第1 章绪论 引导。电磁场在穿越一种介质时，在介质的界面处产生反射，在介质中有衰减， 因此实际穿越该介质的电磁波强度有相当的衰减。根据屏蔽衰减s e 的定义，可 以得出以下公式： s e = a + r + b ( 1 7 ) 其中a ( a b s o r p t i o n ) 描述电磁波在介质中传输时衰减的吸收损耗，r r e f le c t i o n ) 是描述电磁波在介质两个界面处的反射损耗，而b 是考虑电磁波在介质中多次 反射效应的重反射增益。a 和r 是正值，而b 是一个负值。 以上内容介绍了电磁屏蔽的三种类型。对于一个屏蔽结构来说，往往同时 具有静电屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽的功能。这三种类型屏蔽的目的是相同的， 都是希望通过屏蔽体的屏蔽来减少外界对其屏蔽体内空间的干扰及减少屏蔽体 向外的电磁辐射。 1 3 3 5 屏蔽效率 因结构材料等因素的不同，不同屏蔽体的屏蔽作用也不相同。为此可使用 电磁屏蔽效能( s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ，s e ) 这一参数来评价不同屏蔽体的屏蔽 作用【15 1 。电磁屏蔽效能，用不存在屏蔽时空间防护区的场强( e o 或h o ) 与存在 屏蔽时该区的场强( e 或h ) 的比值s e 表示。屏蔽效能也可被称作为屏蔽效率。 由于屏蔽体的磁场屏蔽效率和电场屏蔽效率往往不同，所以一般都分开定义。 s e e 是电场屏蔽效率，s e h 是磁场屏蔽效率。 s e e = 詈，s e h = 詈 ( 1 8 ) 在应用中，屏蔽效率常经过对数处理，处理后所得值的单位是分贝( d b ) 。 s e e - 2 0 蜮铷b ，s e h - 2 0 蜮褂d b ( 1 9 ) 理想的屏蔽体结构可以通过计算求得理论的屏蔽效率，但这只能作为参考。 因为在实际中，屏蔽体的结构不可能如设计的那样理想、屏蔽层所用的介质材 料和厚度并不均匀、所屏蔽信号的频率也在不断变化、所屏蔽场的类型也并不 确定、干扰“接收器”的类型和灵敏度也各有不同、屏蔽层的不完善也造成场 的不连续性，所以一般不通过理论计算来得到屏蔽层的屏蔽效率，而是通过实 际的测试来直接测量得到【1 6 1 。 屏蔽层屏蔽效率的测量一般可根据屏蔽效率的定义进行，即通过测量屏蔽 1 7 第1 章绪论 前后电磁场强度来得出( 如式1 9 所示) 。但对于屏蔽双绞线来说，由于其结构 的特点要得到屏蔽线内电磁场的真实测量值很困难。因此在生产实际上，常使 用屏蔽层上电流与芯线上电流的比值来作为衡量其屏蔽层屏蔽效率的值。( 如式 1 0 所示) 【1 7 j 。 s e - 2 0 l g ( 等) d b ( 1 1 。) 其中i p 是屏蔽层中的电流，i i 是屏蔽线芯线上的电流。 以上的屏蔽层电流测试方法相对来说较容易实现。另外，人们也常使用一 些屏蔽线的物理参数来直接衡量屏蔽线屏蔽层的屏蔽效率，最常用的是屏蔽传 输阻抗u 引。屏蔽传输阻抗是指内部电压和屏蔽层表面电流的比值。内部电压是 由通过屏蔽厚度的扩散电流和通常屏蔽网孔的漏感应系数引起的，因此屏蔽越 好，屏蔽传输阻抗应该越小。这种衡量方法的本质与式( 1 1 0 ) 的定义其实相同， 都是利用了屏蔽层表面电流。 通过以上的两种方法，可以简单地测得屏蔽双绞线的屏蔽效果。但是，要 对比屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线的性能差别，这两种方法就不适用了。因为这 两种方法都是通过测量屏蔽层表面电流实现的。 因此如要比较屏蔽和非屏蔽双绞线的性能，就需采用另外的方法来测试屏 蔽的效率，最常用的方法是通过测试干扰耦合电压大小来了解屏蔽效率。该方 法是将被测双绞线放在干扰源产生的辐射场中，然后测量被测双绞线上的干扰 耦合电压大小，以此来评价屏蔽效率。这种方法相对于测量导线内电磁场的方 法有更好的可操作性。 通过上述测量方法测量屏蔽双绞线的屏蔽效率，可以实现对屏蔽和非屏蔽 双绞线抗干扰性能比较【1 9 1 。但这一方法还存在两个问题。第一个问题是，按上 述测量屏蔽效率的方法进行屏蔽和非屏蔽双绞线抗干扰性能的比较，只能反映 双绞线介质本身的抗干扰性能，并不能反映出它们在车用c a n 总线通信时的抗 干扰特征。当线束处于实际应用中时，以下几个方面会对线束的电磁干扰耦合 产生影响：信号类型、传输方式、频谱特性；线束长度、布线形式、屏蔽类型和 接地方式等传输特性以及源端和负载端的阻抗特性【9 】。另一个问题是，采用这一 测试方法测量时需要一个很强的电磁场作为干扰源，而在实际应用中这一点很 难实现。 所以，为了能够比较非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线使用在车用c a n 总线系统 1 8 第1 章绪论 中时的抗干扰性能，就需要在正常车用c a n 总线通信情况下进行测试。测试的 对象可以是通信的波形也可以是信号报文。现在己开展的关于双绞线车用c a n 总线的抗干扰特性研究也正是按照这一思路进行的口o 】。 1 4 汽车线束抗干扰特性的研究现状 测试方面，在车用线束抗干扰性能的测试上已有相应的i s o 系列标准等国 际标准，包括了传导、耦合和辐射的各种干扰方式，相对来说比较系统1 2 。而 且除了国际标准外，各大汽车公司如d a i m l e r 、c h r y s l e r 、f o r d 、g m 等【z 2 。，也 均在国际标准的基础上建立了各自的数据线传输可靠性方面的测试标准和方法 2 0 】。而国内在这方面起步较晚，但通过吸收国际标准也建立了一些国标【2 3 】【2 4 】【2 5 1 。 对于线束上的传导和耦合干扰，现在主要采用瞬态抗扰性试验方法。该方 法在i s o7 6 3 7 系列标准中有详细的标准。该标准针对道路车辆及其挂车内通过 传导和耦合引起的电骚扰制定，用来提高汽车电子部件或系统的电磁抗扰度。 在我国，汽车内通过传导和耦合引起的电骚扰的技术要求为空白。为完善汽车 电磁兼容性标准体系，天津的中国汽车技术研究中心将i s o7 6 3 7 国际标准转化 为了国家标准。该标准包括三个部分内容：第1 部分：定义和一般描述， 2 0 0 2 年颁布；第2 部分：沿电源线的电瞬态传导，2 0 0 4 年颁布；第3 部分：1 2 2 4 v 电系车辆除电源线外的导线通过容性和感性耦合的电瞬态发 射。汽车电子部件或系统在瞬态抗扰性试验在第2 部分中有详细的描述，包括 试验的布置、典型的试验脉冲和评价准则。所以可以根据i s o7 6 3 7 系列标准搭 建c a n 总线抗干扰性能测试平台进行测试。 对于线束上在辐射干扰，主要采用大容量电流注入( b c i ) 方法进行研究。该 方法在i s o1 1 4 5 2 4 标准 道路车辆窄带辐射电磁能量产生的电子干扰用部件试 验方法第4 部分：大容量电流注n ( b c i ) 并is a e j 1113 4 标准中均有描述，主要用 来评估电源线和信号线上注入大电流之后产生的耦合射频干扰。 对于双绞线抗干扰的理论分析，在国外研究较早现在也较为成熟，通过传 输线理论、屏蔽理论和电磁耦合理论建立了各种简单和复杂的模型 2 6 1 1 2 7 】。相对 简单的模型中把屏蔽双绞线等同为同轴电缆，而在复杂的模型中，充分考虑了 双绞线的各个因素，如绞距等。但是对车用c a n 总线这一实际使用情况下的双 绞线抗电磁干扰特性并没有进行过详细的理论分析和研究。 1 9 第1 章绪论 在国内，北京的中国科学院电工研究所曾对电动汽车的总线系统抗电磁干 扰能力进行过研究和测试。他们的研究和测试主要是建立在i s 0 7 6 3 7 3 、i s o 1 1 4 5 2 4 和f o r d 企业非电源线标准的抗电磁干扰测试平台的基础上，主要分析 了各种c a n 总线介质抗电磁干扰特性的影响因素，但没有明确地给出屏蔽双绞 线和非屏蔽双绞线在车用c a n 总线上抗干扰特性的比较结果【2 引。 1 5 研究过程规划 在上文中已经明确了本文所研究的具体问题和研究方法。具体问题就是屏 蔽和非屏蔽两种双绞线在车用c a n 总线中的抗干扰性能到底如何，是否屏蔽双 论文进艇漉稚 知 淡准舔分少过张掰 究结论 翰、恕线及j e f 输介矮 爨 j 嗍勰研究朗逝 ) 鑫 地 铬 v - q 挽r ：栊渊试力鬃 卜 c a n 总线潍汉l l i 物秀i 嬲 鲣求 ， 测试凌缆设钳， 卜 影嗍( ：怂总线系统纸f 挽住院竣纷阮索 嫠 鑫 嚣 - t 确定评价办袈 卜 趔 臻 簿 v 翘 l 莲 ；p 胁蝻。瓣矗i z ，辑 i 厂、 讽锨必张柙训田5 i ( 挽i ：扰骷绳刀l f i l 躬结论) ； 、l 奎 海 穗i i 茁 。：描摊 i ( 成小力灏的站沦 ) 弘 骥1 、嘲 i 承 篡 图1 1 0 论文进展流程 第1 章绪论 绞线有更好的抗干扰性能? 研究的方法是通过在实际车用c a n 总线系统中测试 c a n 总线通信情况来比较两种双绞线的抗干扰性能。 为了能够通过这一研究方法最终解决这一问题，首先需要进行以下三方面 的知识准备。 c a n 总线受干扰机理【2 9 】【3 0 】 c a n 总线协议对物理层的要求以及影响c a n 总线通信抗干扰特性的硬 件因素 c a n 总线协议 第一个方面的知识准备，目的是为了根据c a n 总线受干扰的机理来确定抗 干扰的测试方案。 第二个方面的知识准备，目的是为了通过了解c a n 总线协议对物理层的要 求以及影响c a n 总线通信抗干扰特性的硬件因素，来设计符合协议要求且具有 基本抗干扰性能的c a n 通信网络硬件。该c a n 通信网络被用来作为测试双绞 线介质抗干扰性能的测试平台。 第三个方面的知识准备，目的是为了通过对c a n 总线协议的分析，最终确 定用于评价抗干扰性能的方法。 具体的研究流程在图1 1 0 中已详细的进行了说明。后续章节的规划如下： 第二章介绍c a n 总线受干扰机理，第三章根据c a n 总线受干扰的机理来确定 抗干扰的测试方案。第四章则介绍c a n 总线协议对物理层的要求，第五章介绍 影响c a n 总线通信抗干扰特性的各硬件因素，然后第六章根据第四、五章的内 容设计测试平台的软硬件。第七章将根据根据c a n 总线协议确定具体的评价方 法。第八章中将介绍具体的测试过程和测试结果分析。第九章将对整个研究过 程和结论进行总结，并对后续研究工作进行展望。 1 6 小结 本章主要介绍了选题背景，并对c a n 总线网络、c a n 总线常用传输介质及 其特点作了简要介绍。通过对不同传输介质的比较可知，双绞线在车用c a n 总 线的应用中具有高性价比的优势，因此在车用c a n 总线中得到了大量的应用。 现在常用的双绞线有两种，即屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线。两者的主要区 别是是否带有屏蔽层。因此在详细介绍了双绞线后，特别介绍了屏蔽的机理。 2 1 第1 章绪论 根据屏蔽机理，屏蔽双绞线理应有更好的抗干扰性能。但是在工作实践中发现 并不完全如此，有时会出现非屏蔽双绞线具有更好抗干扰性能的情况，这就产 生了疑问到底该如何选择双绞线介质，两种双绞线的抗干扰性能到底如何。这 也就是本文的主要研究问题，即比较屏蔽和非屏蔽两种双绞线在车用c a n 总线 中实际的抗干扰性能。 由于两种双绞线的主要区别在于是否带有屏蔽层，所以可以从屏蔽效率的 角度出发研究该问题。但是仅从屏蔽效率出发不能完全反映出c a n 通信的特点， 只能反映两种双绞线本身的抗干扰性能。所以为了能够比较两种双绞线在车用 c a n 总线的抗干扰性能，确定了在正常c a n 通信情况下进行测试的方法。 本章还介绍了对于车用c a n 总线传输介质抗干扰性能的研究现状。研究的 方法跟分析得到的方法一样，即在正常的c a n 通信情况下进行测试。之后参考 现有的研究成果制定了整个项目开展的流程和后续章节的内容分布。 第2 章ca n 总线受电磁干扰机理分析 第2 章c a n 总线受电磁干扰机理分析 上一章介绍了双绞线的特性以及屏蔽的种类、原理和屏蔽效果的评价方法。 通过介绍可大致了解屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线在结构和功能上的区别。从中 可知屏蔽双绞线因其屏蔽层屏蔽效果应有更好的抗干扰性能。 但正如之前所提到的那样，本课题所研究的并不是屏蔽双绞线和非屏蔽双 绞线本身的抗干扰性能，而是要比较两者在整个车用c a n 总线系统中对抗干扰 性能的影响和作用。因此，需要在整个车用c a n 总线系统中对两者的抗干扰性 能进行研究和比较。 本章中将研究车用c a n 总线系统受电磁干扰的机理，为之后合理选择双绞 线抗干扰特性测试标准提供理论依据。 2 1 抗电磁干扰性能的概念 2 1 1 电磁兼容的概念 研究设备或系统的抗电磁干扰性能，目的旨在于提高设备或系统的电磁兼 容性，所以首先介绍一下电磁兼容性的概念。电磁兼容性( e m c ，e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ) ，按照国家标准g b t 4 3 6 5 2 0 0 3 定义为：设备或系统在其电磁环境 中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力【3 1 1 。 该概念中所提到的电磁骚扰( e l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e ) 指的是：任何可 能引起装置、设备或系统性能降低或者对生命或无生命物质造成有害的电磁现 象。当电磁骚扰实际引起设备或系统性能下降时，我们将其称之为电磁干扰 ( e m i ，e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 。与电磁干扰相对应的是装置、设备或系统 抵抗电磁干扰的能力，我们称之为设备或系统的抗电磁干扰性能( e m s ， e l e c t r o m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y ) 。电磁兼容主要研究的就是这两方面的内容，即一 方面研究设备或系统的电磁辐射，使一切设备和系统在完成其正常工作外，不 对外界产生过多的电磁发射量；另一方面研究设备或系统的抗电磁干扰性能， 使设备或系统在标准规定的电磁骚扰下还能正常地运行。本课题研究的侧重点 是双绞线介质c a n 总线的抗电磁干扰性能，所以以下就对电磁兼容性中的抗电 第2 章ca n 总线受电磁干扰机理分析 磁干扰性能作进一步介绍。 2 1 2 抗电磁干扰性能的概念 抗电磁干扰性能( e m s ，e l e c t r o m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y ) 又称为电磁敏感度 ( e l e c t r o m a g n e t i ci m m u n i t y ) ，即设备、装置或系统在面临电磁骚扰情况下不降 低运行性能的能力【3 引。以c a n 总线为例，其抗干扰性能指得就是在电磁骚扰的 情况下依然能保持正常通信的能力。 设备、装置或系统抗电磁干扰性能，根据干扰的耦合路径可细分为抗传导 干扰性能和抗辐射干扰性能。顾名思义，传导干扰即通过有线传导的方式耦合 的干扰；辐射干扰即通过无线辐射的方式耦合的干扰。 图2 1 对上述概念作了逻辑上的归纳。图2 1 中右下部分内容是本课题的主 要研究对象，即双绞线介质c a n 总线的抗电磁干扰性能，包括传导抗扰和辐射 抗扰两个部分，对于双绞线介质c a n 总线的e m i 性能暂时不做为研究内容。 图2 1电磁兼容性的内容 2 2c a n 总线受干扰机理分析 2 2 1 电磁干扰的过程 在章节2 1 1 中，简单介绍了电磁兼容、抗电磁干扰性能等概念。如要深入 第2 章ca n 总线受电磁干扰机理分析 研究设备或系统的抗干扰性能，还得从设备或系统受电磁干扰的过程开始研究。 设备或系统受电磁干扰的整个过程一般可分为三个组成部分，即干扰源、耦合 路径和敏感设备【1 3 j ，这三个部分被称之为电磁干扰三要素。三要素根据耦合路 径的不同，可分为有线传导和无线辐射两类( 如图2 2 所示) 。 有线传导发射源 图2 2电磁干扰过程的三要素 膏线传导敏感锭备 在传导干扰中，干扰信号沿着金属导体传播。其传播耦合的方式有电导性、 电容性和电感性三种。电导性耦合是由于器件或线束之间有接触；电容性耦合 是由于在器件或线束之间存在着分布电容；电感性耦合是因为器件或线束之间 存在着互感。以上三种耦合统称为共阻抗耦合，因为这几种耦合是由于共用电 源、共地及有公共阻抗产生的。传导干扰信号的测量通常用电压和电流来表示。 在辐射干扰中，干扰信号自辐射源发出按照电磁波传播规律在空间扩散。 辐射干扰的耦合方式是场的耦合，可分为电场耦合和磁场耦合，这两种耦合均 属于近场耦合。在高频情况下则同时存在电场耦合和磁场耦合，总称为电磁耦 合或者远场耦合。电磁耦合中最常见的是电磁脉冲干扰( e m p ) ，它是由电磁场 的瞬态变化产生的。其特点是辐射强度大，频谱宽，所以会对设备、系统产生 强烈的电磁干扰。辐射干扰信号的测量通常用场强来表示。 通常情况下，传导干扰要多于辐射耦合干扰，因为从辐射耦合进来的干扰 也可通过电路再传导传播。电磁干扰的详细分类见图2 3 。 第2 章c a n 总线受电磁干扰机理分析 图2 3 电磁干扰分类 2 2 2c a n 总线的受电磁干扰过程 c a n 总线作为敏感设备，受到来自传导干扰源和辐射干扰源两方面的电磁干 扰。传导干扰源主要是信号线和电源线。因为在车用c a n 总线中各信号线都扎在 一起且和电源线距离较近，所以很容易彼此干扰。辐射干扰主要是外电磁场对 线束的耦合干扰，包括电场耦合、磁场耦合和高频的电磁干扰，从电磁干扰的 模式来说包括了共模干扰和差模干扰。在以下的干扰过程分析中，我们将以本 课题所涉及的研究对象双绞线作为基础进行分析，包括屏蔽双绞线和非屏蔽双 绞线两种。c a n 总线的受电磁干扰的路径如图2 4 所示【3 2 。 图2 4c a n 总线上受到的电磁干扰 第2 章ca n 总线受电磁干扰机理分析 2 2 2 1 传导干扰 c a n 总线线束受到的传导干扰主要是信号线之间的串扰和电源线的耦合干 扰。这两种传导干扰的耦合方式主要有两种，即电容性耦合和电感性耦合。屏 蔽双绞线和非屏蔽双绞线在研究时，可以被看作为带有屏蔽层的单芯线和不带 屏蔽层的单芯线。 2 2 2 1 1 电容性耦合【3 3 】 a 非屏蔽双绞线 由于研究的是线间电磁干扰，所以可以把非屏蔽双绞线简化为单芯线来研 究。其电路示意图如图2 5 ( a ) 所示，等效电路如图2 5 ( b ) 所示。 ( a ) 电路示意图 u ( b ) 等效电路 图2 5 非屏蔽双绞线线间的电容性耦合 r 其中c 1 2 是导线1 和导线2 之问的分布电容。电容c 1 g 署n c 2 g 分别是导线1 和导线2 与地之间的总电容，r 为导线2 对外接地电阻。设加在导线1 上的电压u 是干扰源， 导线2 是被干扰电路。显然，被干扰电路由于电容耦合，在导线2 相对地之间产 生的噪声电压u n 可以表示为： u n ：型垒坠趔u ( 2 1 ) 一 j + 1 r ( c 1 2 + c 2 g ) 通常情况下 r 瓦示南所以： u n j c o r c l 2 u 2 ( 2 ) 从式2 2 中可以看出干扰电压与干扰源的电压和频率、受干扰导线对外的接 地电阻、干扰源和受干扰导线之间的分布电容有关。 2 7 第2 章c a n 总线受电磁干扰机理分析 b 屏蔽双绞线 对于屏蔽双绞线，由于双绞线两条传输线相互缠绕，使得这两条传输线与 屏蔽层间均匀地存在电容耦合，就如同一根单芯线结构的屏蔽线，所以对屏蔽 双绞线进行电容性耦合分析时，可以采用屏蔽的单芯线代替屏蔽双绞线来进行 分析。其电路示意图如图2 6 ( a ) 所示，等效电路如图2 6 ( b ) 所示【3 4 1 。 导线1 为干扰回路，导线2 为屏蔽双绞线。r s 为屏蔽体的电阻，x c 、r 2 l 、r 2 g 分别为屏蔽层与信号线间电容、干扰回路的源阻抗和负载阻抗。 y s h 镑线1 ( a ) 电路示意图 ( b ) 等效电路 图2 6 屏蔽双绞线线间的电容性耦合 根据图2 6 ( b ) 的等效电路图，可得屏蔽层因干扰而产生的共模干扰电压 v s n r l l r s 4 e or l g + r l lx c + r s 4 被干扰线路的终端电压可表示为： e：塾：垦!l x c l + r 2 其中： r ：垦! ：坠垒 r o + r l r o ，r l 分别为信号线两端的负载 所以结合上两式，可得： r 钝 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 第2 章ca n 总线受电磁干扰机理分析 e l r 2 r i l r s 4 11 e or l g r l lx c l + r 2x c + r s 4 ( 2 6 ) 由于实际中屏蔽层的厚度不可能为0 ，而且其屏蔽的程度也不尽完全，所以 需在上面的分析结果中乘以一个耦合因数，即： 【e 1 坩+ f s 】 ( 2 7 ) 其中： 艿= 1 4 1 f t 仃，为屏蔽层的磁导率，1 7 为屏蔽层的电导率；f s 为屏蔽 层的覆盖程度：f 为屏蔽层厚度。 所以，干扰源最终在被干扰线路的终端产生的干扰电压为： 鲁=臀志。矗而。ce-f6+fs)e rrxr xr 4 o l g l lc l +2c+s 、( 2 8 ) 通过以上分析可知：芯线与屏蔽层间的电容越小，干扰耦合到芯线上的能 力越弱，其该屏蔽双绞线的抗电磁干扰能力越强。 2 2 2 1 2 电感性耦合 a 非屏蔽双绞线 电感性耦合是指干扰源产生的噪声磁场与被干扰回路发生磁通交链从而以 互感的形式产生的传导性干扰。在此处的分析中，非屏蔽双绞线如同在研究电 容性耦合时一样简化为单芯线。其电路示意图如图2 7 ( a ) 所示，等效电路如图 2 7 ( b ) 所示p 引。图中1 1 为干扰电路中的电流，m 为导线1 与导线2 两电路之间的互 感。 ( a ) 电路示意图( b ) 等效电路 图2 7 非屏蔽双绞线的电感性耦合 第2 章c a n 总线受电磁干扰机理分析 则导线1 对导线2 的干扰电压u n 为： ，| 二 u n = j c o m i l = m 学 ( 2 9 ) u l 从式2 9 中可以看出，受干扰回路上的干扰电压与受干扰回路与干扰回路间 的互感系数及干扰回路的频率相关。 b 屏蔽双绞线 屏蔽双绞线的两条双绞传输线之间存在的互感和分布电容会产生线间干 扰，但由于我们主要研究的是双绞线外线束对双绞线的干扰，所以仍可把屏蔽 双绞线简化为带有屏蔽层的单芯线进行研究。经过简化后屏蔽双绞线电感性耦 合的电路示意图如图2 8 ( a ) 所示，等效电路如图2 8 ( b ) 所示。 镑线1 ( a ) 电路示意图( b ) 等效电路 图2 8 屏蔽双绞线的电感性耦合 当屏蔽层流过的电流分布均匀时，内导体与屏蔽层之间的互感m 就等于屏蔽 层自身的自感l s 。由屏蔽体与中心导体的等效电路图2 8 ( b ) 可知，屏蔽体上的 电流i s 在中心导体上感应的干扰电压为： u n = j 6 0 m i s( 2 1 0 ) tt 其中：i s2 丽u s l s ，飚分别为屏蔽体的电感和电阻，由于m = l s 所以有： 3 0 第2 章ca n 总线受电磁干扰机理分析 u n = f j c a u s ( 2 1 1 ) i + j 当屏蔽体两端接地时，屏蔽体内有电流流动，从而产生一个干扰电压进入 中心导体。感应进入中心导体的干扰电压有两部分组成：一部分是干扰线对中 心导体直接感应的干扰电压u 1 2 ；另一部分是屏蔽体电流产生的干扰电压u s 2 。这 两部分感应电压具有相反的极性，所以进入中心导体的干扰电压可表示为： u n = u 1 2 一u s 2( 2 1 2 ) 由于u 1 2 = j c a m l 2 i l u s 22 喜乜2 喜。批s i l( 2 1 3 ) 由于相对于干扰线来说，中心导体和屏蔽体是在空间的相同位置上，所以 有m 1 2 = m i s ，可得出： u n = j 州鲁售巾) ( 2 1 4 ) 当频率很低时，即j c o l s r s ，有： u n = m 1 2 i - ，i r s ( 2 1 6 ) 此时，感应电压不随频率的增加而增加而是一个常数，这个常数与没有屏 蔽体时的差值即是该屏蔽体的屏蔽效果。所以减小屏蔽层自身的电阻，电感之 i t ；可提高屏蔽层的屏蔽效果，即提高了双绞线的抗电磁干扰性能。 2 2 2 2 辐射干扰 c a n , q , 线线束受到的辐射干扰来源比较广泛。因为车内的电磁环境较为复 第2 章c a n 总线受电磁干扰机理分析 杂，既有来自于汽车本身的辐射干扰，如车内通讯设备、底盘控制系统等；又 有来自于车外的各种辐射干扰，如其它车辆的干扰、雷电干扰、高压电线干扰 等。但从干扰模式上来说，外电磁场对于双绞线c a n 总线线束的辐射干扰可简单 分为共模干扰和差模干扰两部分。 2 2 2 2 1 非屏蔽双绞线 a 共模干扰 图2 9 非屏蔽双绞线的共模等效耦合模型 如图2 9 n 示为双绞线的共模等效耦合模型。对于共模电压来说，双绞线上 的耦合电压和电流的计算非常复杂。不过可以把双绞线假设为一个个小回路的 串联，每个小回路包括均匀的平行双线。由于双线上耦合的电压和电流方向相 同，可以把双绞线等效成单线来处理。然后使用时域有限差分( f d t d ) 方法计 算出来。从等效耦合模型上可以直观看出，非屏蔽双绞线对共模电场耦合干扰 几乎没有什么抑制能力。 b 差模干扰 。e t e 2e 3e i u 图2 1 0 非屏蔽双绞线的差模等效耦合模型 3 2 第2 章ca n 总线受电磁干扰机理分析 如图2 1 0 所示为双绞线的差模等效耦合模型。双绞线的扭绞节距把回路分 隔成许多的小回路，如果双绞线平衡性好的话，其相邻段上由磁场所感应出来 的电流大小相等方向相反，两者正好互相抵消。所以，非屏蔽双绞线对于差模 有抑制作用。 2 2 2 2 2 屏蔽双绞线 从外界电磁场到屏蔽双绞线的干扰耦合可以分成两个部分：第一部分是由 于屏蔽双绞线的屏蔽层屏蔽效果不完善引起的耦合；第二部分是由于双绞线两 根传输线的不平衡引起的共模干扰与差模干扰的转换。 第一部分，外界电磁场在双绞线的两线上能产生共模电流和共模电压( 如 图2 1 l 所示) ，这是由于屏蔽双绞线屏蔽效果的不完善引起的。例如对于实体 屏蔽层的屏蔽双绞线来说，它对低频电场有相当好的屏蔽作用，但对低频磁场 l 电磁场解敞缓 一 i c 图2 1 l 外界电磁场到屏蔽双绞线的干扰耦合 的屏蔽作用就不尽如人意了。同时，高频率的电磁信号会因扩散影响，由外表 皮经指数衰减后渗透到屏蔽层的内表面然后影响到屏蔽双绞线的芯线。这种扩 散衰减的传递函数可以称之为转移阻抗。另外也可以从屏蔽双绞线的屏蔽效能 ( s e ，s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ) 角度来考虑屏蔽效果不完善的影响。电磁屏蔽 效能是衡量屏蔽层屏蔽效果的指标，可以用不存在屏蔽时空间防护区的场强( e 0 或h o ) 与存在屏蔽时该区的场强( e 或h ) 的比值s e 来表示： s e e _ 鲁或s e h = 百n o ( 2 1 7 ) 对于屏蔽双绞线来说，其电磁屏蔽效能可以用屏蔽双绞线暴露在外界辐射 场中时，没有屏蔽层和有屏蔽层时负载电流的比值表示： s e = 2 0 l o g 笋】 ( 2 1 8 ) 第2 章ca n 总线受电磁干扰机理分析 其中，i i o a d 是没有屏蔽层时流过终端负载的电流，i k 则是有屏蔽层时流过 终端负载的电流。 除此之外，屏蔽双绞线的屏蔽效能也可以用屏蔽双绞线暴露在外界辐射场 中时，屏蔽层上的电流与导线上的电流的比值来表示： t s e = 2 0 1 0 9 2 7 - - 】 ( 2 1 9 ) l i 其中，i 是屏蔽层中的电流，i ；则是屏蔽双绞线芯线上的电流。 第二部分是由于双绞线两根传输线的不平衡引起的共模干扰与差模干扰的 转换。在理想状况下，即双绞线两根传输线完全平衡的情况下，同时存在共模 信号和差模信号且两者是独立的。但由于实际的屏蔽双绞线不能达到完全平衡， 共模信号中的一小部分会耦合为差模信号，而差模信号中的一小部分会耦合成 为共模信号。如图2 1 2 所示为双绞线中共模到差模的耦合。 藕含 1 r i d 图2 1 2 屏蔽双绞线内共模到差模的转换 2 2 2 3 屏蔽接地对干扰过程的影响 上述c a n 总线受电磁干扰过程的分析，是建立在屏蔽双绞线屏蔽层理想接 地情况下的，即接地点电位保持零电势。但在车上通过搭铁很难使屏蔽层接地 点电势一直保持零电势。 屏蔽层接地点的电势变化会降低屏蔽双绞线的屏蔽性能，从而导致系统抗 干扰性能的降低。以单端屏蔽接地为例，当屏蔽层接地点电势变化时，接地点 电势不再等于零，从而不能完全消除图1 7 中所示的两导线之间的电容，这将降 低系统的抗传导干扰能力；如果接地点电势变化比较大，则可能导致屏蔽层起 到反作用。 从辐射干扰角度来看，由于屏蔽层接地点具有电势，导致屏蔽层也具有电 势，这会耦合到芯线上导致共模干扰。在双端屏蔽接地时，这种情况更明显。 因为双端屏蔽接地时两个接地点电势不同，会在屏蔽层上形成干扰电流，然后 3 4 第2 章ca n 总线受电磁干扰机理分析 耦合到芯线上导致共模干扰。 所以如果要比较实际应用过程中屏蔽和非屏蔽双绞线在车用c a n 总线中的 抗干扰特性，就需考虑屏蔽双绞线屏蔽层接地的影响。但由于试验条件限制， 同时为了试验的可重复性，本文的测试过程暂不考虑屏蔽接