CAN总线在励磁系统应用中抗干扰分析

1、CAN总线在励磁系统应用中抗干扰分析Anti-Interference Analyse on CAN Bus Application张兴旺 程传玲 黄赋光 （广州电器科学研究院513000，广州）摘要：本文从CAN总线传输的原理出发，用实测CAN总线波形的方法分析了影响CAN可靠传输的因素，提出了CAN总线在应用中抗干扰的硬件及软件措施。该措的有效性在实际应用中得到了验证。关键词：CAN总线，CAN总线波形 抗干扰 发电机励磁Abstract:The theory of CAN bus transmission is introduced. The factors effecting CAN

2、data transmission reliability are analysed by measuring the CAN bus waves.Hardware and software measures to eject interference in CAN bus application are put forward,of which effectivity is virified in practical application.key words: CAN bus, CAN bus waves, Anti-interference , excitation of generat

3、or0 引言 由于CAN总线具有通讯速率高、可靠性高、连接方便和性能价格比高等诸多特点，CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。在自动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统、工业自动化、建筑物环境控制、机床或电梯控制、医疗设备等领域得到了较为广泛的应用。CAN 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为 8个，因而传输时间短、受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点极其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力和检错能力。CAN支持多主方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全

4、局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。 在实际应用中，尤其是在现场运行环境较差，干扰严重的情况下，如何提高CAN总线的抗干扰能力，使系统更可靠运行，是设计者关注的重点。本文从CAN总线传输的原理出发，用实测CAN总线波形的方法分析了影响CAN可靠传输的因素，提出了CAN总线在应用中抗干扰的硬件及软件措施。   1 CAN总线传输原理及波形特征每一个CAN驱动芯片中有一成对的晶体管，各CAN站均无数据发送时，成对晶体管关闭，总线处于“隐性”

5、状态，总线平均电压由各CAN驱动中具有高内阻的电压源产生（对应于本文所研究的系统，这时总线电平为2.5V）。若成对晶体管至少有一个被接通，则显性位被送到总线。总线可具有两种逻辑状态：“隐性”“显性”，“隐性”状态时总线差分电平近似为0，“显性”状态以大于最小阈值的差分电压表示。图1为在电力系统中一种发电机励磁装置上的CAN站点分布图，其中HMI是人机界面， IIU是智能对外接口， LOU是现地操作单元， REC1、REC2是大电流整流柜站， FCB是灭磁柜站。以下分析及波形实测都是基于该系统进行的，该种设备已在多台中、大型水、火电机组中实际运行。 图1 励磁装置CAN站点分布图 在VCANL对

6、地共模电压波形中，总线未被操作时平均电平约为2.5V,被单个站操作时电平下降约1V。在VCANH对地共模电压波形中，总线未被操作时平均电平约为2.5V,被单个站操作时电平上升约1V。而在CAN总线间差分电压波形中，总线未被操作时平均电平约为0V,被单个站操作时电平2V。如图2。 图2 CAN总线波形之一 仲裁期间，各个CAN站可以同时发送“显性”位。此时总线电平超过单个CAN站工作期间的电平。见图2中波形末尾高出的一个波形。2硬件抗干扰试验分析及措施2.1 终端电阻配置对CAN波形的影响CAN总线驱动为电流型，因此总线间必须有终端电阻，为防止波形反射，一般在总线的两端将加120欧的电阻，负载增

7、加，或终端电阻数量增加，都使总线上差分电压下降，抗干扰能力显然是下降的。在全站运行时测试。2个终端电阻的情形，终端电阻加在REC1、FCB站，波形如图3，波形高电平一般约为2.2V。如图5。 图3 CAN总线波形之二4个终端电阻的情形，终端电阻加在HMI、LOU、FCB、REC1站，波形高电平一般约为1.6V，如图4。 图4 CAN总线波形之三从实测波形可以看出，终端电阻个数增加，等效于CAN间的差分电阻变小，故总线上的差分电压也是减小的，故其抗干扰能力下降。另一方面为防止波形反射，终端电阻应加在CAN的的两端。当反射电压波（总线差分电压）在每个CAN站抑制低于0.9V显性差分电平，或增加0.

8、5V隐性差分电平，都将导致CAN接收数据错误。2.2 电缆长度对传输波形的影响CAN总线信号传输介质使用特性阻抗为120欧姆的双绞线，信号传输方式采用差动发送和差动接收的方式。理论上使用CAN2.0A总线的节点可达到2032个，CAN2.0B则可以达到5亿多个。CAN系统内两个任意节点之间的最大传输距离与其位速率有关，位速率为1Mps时，最大总线长度40米，位速率为500kps时，最大总线长度130米，位速率为250ps时，最大总线长度270米，位速率为125kps时，最大总线长度530米。实际应用中，考虑到现场干扰等因素，总线长度一般不可能用到极限。以下测试是在位速率为125kbps时进行的

9、。1）全站正常运行波形，如图5。 图5 CAN总线波形之四2）全站正常运行，屏蔽接地，由于环境无明显干扰源，故总线波形无明显影响。3）全站正常运行，调节器至LOU站的总线由原来小于1米改为100米，波形如图6。 图6 CAN总线波形之五 4）调节器至LOU站：200米，REC1站至REC2站：100米，LOU站至IIU站：100米，波形如图7。 图7 CAN总线波形之六从图5图7可以看出，随着电缆的加长，波形畸变越厉害，主要体现在波形的上升及下降沿的陡度上。若显性电平下最小差分输入电压按0.9V计，当电缆为大于400米时，上升沿达到0.9V的时间小于1us。若隐性电平下最大差分输入电压按0.5

10、V计，当电缆为大于400米时，下升沿达到0.5V的时间小于1us。对应于125KHz波特率下，位时间（Bite time）为8us,配置合适时，在这种情况下不影响总线运行。在该状况下运行监测2小时，未出CAN总线上数据不正常现象。23 现场抗干扰分析如图1所示的CAN系统的励磁装置在某11万千瓦水轮发电机励磁系统中现场运行。CAN电缆采用双绞线，长度小于50米，从柜体下方的电缆沟中穿出地面后连接各柜中的CAN站。以下测试有CAN总线波特率为125K下进行。图8 为全站运行，发电机不运行的CAN总线波形图8 CAN总线波形之七图9 为全站运行，发电机在运行中的CAN总线波形图9 CAN总线波形之

11、八图 10 为全站运行，发电机在运行中的、CAN总线电缆屏蔽接地后CAN总线波形 图10 CAN总线波形之九 图9、图10中的波形均为电平触发方式捕到，二者相比，图10中加了屏蔽电缆后，干扰数据的严重程度要小，另外捕获波形的间隔看，未加屏蔽电缆时的间隔比加上屏蔽电缆接地时的间隔明显偏小，可见前种情况比后种情况比，出现的几率要大得多，这表明CAN总线加屏蔽电缆并接地后，其抗干扰能力大加强。图8的波形中无明显畸变，说明在发电厂励磁设备中CAN干扰主要来自大电流、高电压，来自可控硅整流带来的高次谐波。3 软件抗干扰措施31 适当降低波特率从2节对CAN波形分析知，波特率下降，CAN位时间增长，对CA

12、N波形采样时间也相应加长，躲过干扰的可能性也增大了。当然，波特率的降低必须在满足系统快速性的前提下进行。32 加强校验虽然在CAN控制芯片MAC子层有下列错误检测功能：监测、填充规则校验、帧校验、15位循环冗余码校验和应答校验，该校验基本保证了CAN层通讯数据的正确性，但系统设计时，常常是使用专门的CAN功能芯片，CAN芯片与CPU之间还是通过串行或并行方式交换数据，在这一层里，若不加强校验，同样可能使数据出错，所以在这一级同样要加强校验，常用且有效的校验可选CRC校验，或是几种校验的组合。这一项措施的有效性同样在实际应用中得到验证。4 其它抗干扰措施在CAN系统硬件设计阶段可采一些抗干扰措施，如在CAN控制芯片与CAN驱动间加快速光隔隔离；在CAN驱动级使用独立的隔离电源；在CAN总线间加瞬变电压吸收器等，均能提高CAN总线在工业现场的抗干扰能力。5 结论在CAN实际应用中，为使系统更可靠运行，应尽可能采取抗干扰措施，它包括保证CAN性能指标满足要求情况下采取的硬件抗干扰措施，及必要的软件措施