CAN總線抗干擾的六種解決方案
備註:本文引自廣州志遠電子技術支持工程師.
CAN總線雖然有強大的抗干擾和糾錯重發機制，但目前CAN被大量應用於比如新能源汽車、軌道交通、醫療、煤礦、電機驅動等行業，而這些場合的電磁環境比較嚴重，所以如何抗干擾是工程師最為關心的話題。
前段時間有個做模臺流水線的用戶，一條流水線有兩路CAN總線，一條總線有22個控制節點，每當啟動模臺就會出現嚴重的失控狀態，模臺下是由很多電機驅動的，而操控臺下放著變頻器。使用CANScope測試發現，在未啟動電機情況下，控制檯的CAN通信正常，幀統計結果顯示100%成功率，如圖1所示。
圖1 模臺靜態狀態下幀統計
此時CAN波形圖如圖2所示。
圖2 模臺靜態狀態下波形圖
然而當模臺電機啟動之後，CAN總線質量急劇下滑，使用CANScope幀統計結果顯示成功率僅僅為16.33%，如圖3所示。
圖3 模臺動態態狀態下幀統計
此時的CAN波形圖如圖4所示，可見干擾導致波形嚴重畸變。
圖4 模臺動態態狀態下波形圖
干擾導致幀錯誤增加，重發頻繁，正確數據不能及時到達。所以如何解決干擾帶來的困擾呢，下面就為大家介紹CAN總線抗干擾的六大解決方案。
1、增加CAN接口電氣隔離
干擾不但影響信號，更嚴重的會導致板子死機或者燒燬，所以接口和電源的隔離是抗干擾的第一步。隔離的主要目的是：避免地迴流燒燬電路板和限制干擾的幅度。如圖5所示，未隔離時，兩個節點的地電位不一致，導致有迴流電流，產生共模信號，CAN的抗共模干擾能力是-12~7V，超過這個差值則出現錯誤，如果共模差超過±36V，燒燬收發器或者電路板。
圖5 差分抗干擾示意圖
傳統用戶都採用分立器件自己搭建隔離電路的方式，如今大家更青睞使用隔離收發器做防護隔離。如圖6所示的CTM系列隔離收發器的總線隔離技術，與傳統分立器件方案相比，產品具備更高的集成度與可靠性，能夠有效提升總線通信防護等級，極大程度降低用戶的採購與生產成本，大幅縮短開發週期。
圖6 隔離CAN收發器
增加CTM隔離模塊後，如圖7所示。隔絕了地迴流，限制了干擾幅度。
圖7 隔離地迴流
2、共CAN收發器的信號地
共CAN收發器的信號地，並且CAN使用三線制信號傳輸。可以有效抑制共模干擾。注意圖8中屏蔽層為近距離外殼等電勢的情況下的接線方法。
圖8 CAN信號共地
3、CAN線保證屏蔽效果與正確接地
帶屏蔽層的CAN線，可以良好地抵禦電場的干擾，等於整個屏蔽層是一個等勢體，避免CAN導線受到干擾。如圖9所示，為一個標準的屏蔽雙絞線，CANH和CANL通過鋁箔和無氧銅絲屏蔽網包裹，如圖9所示。需要注意的是和與接插件的連接，在連接部分允許有短於25mm的電纜不用雙絞。
圖9 屏蔽雙絞線
使用屏蔽線後，在屏蔽層沒有良好接大地前，屏蔽線是不起作用的。所以我們要選擇一種接地方式。這裡有三種外殼接地法：屏蔽層單點接地，可以避免地迴流（不同位置的地電位不同而導致的產生電流），如圖10所示。節點信號地阻容接自身外殼，如圖11所示。屏蔽層分段屏蔽法，如圖12所示，多點接地可以加快高頻干擾信號的洩放，屏蔽層單點接地可以避免地迴流，所以要根據實際情況選擇合適的接地方式。
圖10 屏蔽層單點接地
圖11 節點信號地阻容接自身外殼地
圖12 屏蔽層分段屏蔽法
在CAN的應用場合，由於距離一般都較遠，所以大部分採用屏蔽層單點接地的原則，在幹線上找一點將屏蔽層用導線直接接地，該點應是所受干擾最小的點，同時該點位於網絡中心附近。
4、提高CAN線雙絞程度
CAN總線為了提高抗干擾能力，採用CANH和CANL差分傳輸，達到效果就是遇到干擾後，可以"同上同下"，最後CANH-CANL的差分值保持不變。如圖13所示。
圖13 差分抗干擾示意圖
CANH和CANL要緊密地絞在一起，通常雙絞線只有33絞/米，而在強幹擾場合，雙絞程度要到45-55絞/米才能達到較好的抗干擾效果。另外線纜的芯截面積要大於0.35~0.5mm²，CAN_H對CAN_L的線間電容小於75pF/m，如果採用屏蔽雙絞線，CAN_H(或CAN_L)對屏蔽層的電容小於110pF/m。可以更好地降低線纜阻抗，從而降低干擾時抖動電壓的幅度。
表1 雙絞線對磁干擾的衰減比
5、增加信號保護器
增加信號保護器，提高抗浪湧群脈衝等EMC能力。上面的隔離只是阻擋，如果幹擾強度很高，比如達到2KV浪湧，隔離也會被破壞。所以要想達到更高的防護等級，必須增加防浪湧電路。如圖14所示，為ZLG致遠電子高速總線標準防浪湧保護電路。
注意，由於電容較大，一條總線最多增加2-3個保護器！
圖14 信號保護電路
6、CAN轉為光纖傳輸
增加CAN轉光纖轉換器。解決超強幹擾（比如遠程激光與電磁脈衝發射裝置）與雷擊問題，光纖是一種無法被電磁干擾的傳輸介質，如圖15所示，為使用ZLG致遠電子的CANHub-AF1S1和CANHub-AF2S2組合的光纖主幹網絡。
圖15 使用光纖轉換器實現光纖主幹傳輸
以上就是今天跟大家分享的總線抗干擾的六種解決方案，在文章最後再補充在現場常用的兩種手段吧。
1、CAN線遠離干擾源
遠離干擾源是最簡單的抗干擾方法，如果CAN線與強電干擾源遠離0.5米，干擾就基本影響不到了。可是在實際佈線中，經常遇到空間太小而不得不和強電混在一起，如圖16所示，為某新能源汽車的驅動系統，CAN線與驅動線混在一起，結果導致干擾很大。只要與CAN並行的驅動線，具備2A/秒的電流變化，就會耦合出強磁場而導致CAN線上出現干擾脈衝。所以CAN線必須要和電流會劇烈變化的線纜遠離。比如繼電器、電磁閥、逆變器、電機驅動線等。
圖16 干擾現場圖
而解決這個問題，只能儘量保證強電與弱電分開捆紮，距離上儘量遠離。實在避不開，也要垂直交叉，也不能平行佈線。
2、增加磁環或者共模電感
使用抗干擾的磁環，目的就是削弱特定頻率的干擾的影響。如圖17所示，為增加磁環的效果。CAN差分線纜可以兩線一起加，或者單端單獨加。
圖17 增加磁環
需要注意的是增加磁環或者共模電感時，不可隨意添加，如果適應頻率不對，則會影響正常信號通訊哦。
