如何有效提高CAN总线抗干扰能力？

ZLG致远电子 2021-03-05 00:00

【北京12.5号】无线前沿新技术与测试技术峰会 精密双向电流感应放大器设计方案

CAN总线由其高可靠和实时性被广泛应用于新能源汽车、轨道交通、医疗、工程机械等行业，但是由于大部分行业工作环境都比较恶劣，所以提高总线抗干扰能力是目前行业用户最为关注的方向。

常见CAN总线干扰现象

如下为一条流水线有两路CAN总线，一条总线有22个控制节点，每当启动工作时就会出现严重的失控状态，流水线都是通过电机驱动的。在使用CANScope测试发现，在未启动电机情况下，帧统计结果显示100%成功率，如图1所示。

图1 正常工作帧统计

此时CAN波形图如图2所示。

图2 正常波形

然而当电机启动之后，CAN总线质量急剧下滑，使用CANScope帧统计结果显示成功率仅仅为16.33%，如图3所示。

图3 干扰时帧统计

此时的CAN波形图如图4所示，可见干扰导致波形严重畸变。

图4 干扰时波形

干扰导致帧错误增加，重发频繁，正确数据不能及时到达。所以如何解决干扰带来的困扰呢，下面就为大家介绍CAN总线抗干扰的六大解决方案。

一、增加CAN接口电气隔离

干扰不但影响信号，更严重的会导致板子死机或者烧毁，所以接口和电源的隔离是抗干扰的第一步。隔离的主要目的是：避免地回流烧毁电路板和限制干扰的幅度。未隔离时，两个节点的地电位不一致，导致有回流电流，产生共模信号，CAN的抗共模干扰能力是-12~7V，超过这个差值则出现错误，如果共模差超过±36V，烧毁收发器或者电路板。

传统用户都采用分立器件自己搭建隔离电路的方式，如今大家更青睐使用隔离收发器做防护隔离。如图所示的CTM系列隔离收发器的总线隔离技术，与传统分立器件方案相比，产品具备更高的集成度与可靠性，能够有效提升总线通信防护等级，极大程度降低用户的采购与生产成本，大幅缩短开发周期。增加CTM隔离模块后，如图5所示。隔绝了地回流，限制了干扰幅度。

图5 CAN接口电气隔离

二、共收发器的信号地

共CAN收发器的信号地，并且CAN使用三线制信号传输。可以有效抑制共模干扰。注意图6中屏蔽层为近距离外壳等电势的情况下的接线方法。

图6 CAN信号共地

三、CAN线保证屏蔽效果与正确接地

带屏蔽层的CAN线，可以良好地抵御电场的干扰，等于整个屏蔽层是一个等势体，避免CAN导线受到干扰。如图所示，为一个标准的屏蔽双绞线，CANH和CANL通过铝箔和无氧铜丝屏蔽网包裹。需要注意的是和与接插件的连接，在连接部分允许有短于25mm的电缆不用双绞。

图7 屏蔽双绞线

使用屏蔽线后，在屏蔽层没有良好接大地前，屏蔽线是不起作用的。所以我们要选择一种接地方式。这里有三种外壳接地法：屏蔽层单点接地、屏蔽层分段屏蔽法、多点接地可以加快高频干扰信号的泄放。在CAN的应用场合，由于距离一般都较远，所以大部分采用屏蔽层单点接地的原则，在干线上找一点将屏蔽层用导线直接接地，该点应是所受干扰最小的点，同时该点位于网络中心附近。

图8 屏蔽层分段屏蔽法

四、提高CAN线双绞程度

CAN总线为了提高抗干扰能力，采用CANH和CANL差分传输，达到效果就是遇到干扰后，可以“同上同下”，最后CANH-CANL的差分值保持不变。如图9所示。

图9 差分干扰示意

CANH和CANL要紧密地绞在一起，通常双绞线只有33绞/米，而在强干扰场合，双绞程度要到45-55绞/米才能达到较好的抗干扰效果。另外线缆的芯截面积要大于0.35~0.5mm²，CAN_H对CAN_L的线间电容小于75pF/m，如果采用屏蔽双绞线，CAN_H(或CAN_L)对屏蔽层的电容小于110pF/m。可以更好地降低线缆阻抗，从而降低干扰时抖动电压的幅度。

五、增加信号保护器

增加信号保护器，提高抗浪涌群脉冲等EMC能力。上面的隔离只是阻挡，如果干扰强度很高，比如达到2KV浪涌，隔离也会被破坏。所以要想达到更高的防护等级，必须增加防浪涌电路。如图10所示，为ZLG致远电子高速总线标准防浪涌保护电路。