CAN總線(xiàn)通訊的電磁兼容系統干擾源的解決措施

CAN(Control Area Network)總線(xiàn)最初是一種為汽車(chē)車(chē)載設備(傳感器、執行器)控制而設計的串行數字通信總線(xiàn)，由德國B(niǎo)OSCH公司和美國INTEL公司在20世紀 80年代末期開(kāi)發(fā)成功，并于1993年成為國際標準ISO11898。其目的是用多點(diǎn)、串行數字通訊技術(shù)取代常規的直接導線(xiàn)信號連接，可以節省大量車(chē)載設備的電纜布線(xiàn)。由于CAN總線(xiàn)芯片可靠性高、協(xié)議精練、價(jià)格低、貨源廣泛，因而在工業(yè)測控領(lǐng)域也獲得廣泛應用。但是，工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境惡劣，電磁干擾較為嚴重，如何保證CAN總線(xiàn)通訊的可靠性尤為重要。

1 CANsmc系統概述

北京航空航天大學(xué)和北京和利時(shí)電機技術(shù)有限公司聯(lián)合定義了一種基于CAN總線(xiàn)的數字伺服通訊協(xié)議——CANsmc(CAN for synchronous motion control)。CANsmc采用主從式的雙通道網(wǎng)絡(luò )，由一個(gè)主站和最多61個(gè)從站組成，如圖1所示。系統的通訊由主站管理和協(xié)調，通道0為指令通道，主站通過(guò)它向各個(gè)從站發(fā)送控制指令數據。通道1為狀態(tài)通道，各個(gè)從站通過(guò)它向主站發(fā)送運行狀態(tài)數據。

CANsmc實(shí)驗系統的組成，包括主站控制卡、從站控制卡和兩種設備控制卡。主站控制卡基于ISA總線(xiàn)，插入PC機控制單元。從站控制卡是嵌入式的CAN總線(xiàn)通訊卡，設備控制卡包括位置控制卡和I/O控制卡，可以控制伺服驅動(dòng)器和I/O設備。

2 電磁兼容分析

在電子產(chǎn)品的設計中，電磁兼容EMC(Electro Magnetic Compatibility)性能對系統的影響非常大，關(guān)系到其能否正常穩定運行。國際上已經(jīng)開(kāi)始對電子產(chǎn)品的電磁兼容性做強制性限制，電磁兼容性能已經(jīng)成為產(chǎn)品性能的一個(gè)重要指標。

電磁兼容主要包括兩方面的內容，一個(gè)是產(chǎn)品本身對外界產(chǎn)生不良的電磁干擾EMI(Electro Magnetic Interference)影響，稱(chēng)為電磁干擾發(fā)射;另一個(gè)是對外界電磁信號的敏感程度，稱(chēng)為電磁敏感度EMS(Electro Magnetic Sensitivity)。干擾源、耦合途徑及敏感設備是電磁兼容的三要素，缺一不可。電磁兼容的詳細內容如圖2所示。

電磁干擾信號的耦合途徑有傳導和輻射兩種。而根據耦合結果的不同，干擾又分為共模干擾和差模干擾。共模干擾存在于所有的信號線(xiàn)(包括信號線(xiàn)、數據線(xiàn)和電源線(xiàn)等)和地線(xiàn)之間，而差模干擾存在于信號線(xiàn)之間。

提高電磁兼容性的措施有三種：提高電子設備本身的EMC性能、對輻射性耦合使用屏蔽技術(shù)加以抑制、對傳導耦合采取濾波技術(shù)加以抑制。

3 PCB板EMC設計

CANsmc系統主站和從站電路板的設計對系統的EMC至關(guān)重要，而一個(gè)電路板的電磁輻射能力和接收能力往往是一致的，因此在提高電路板抗干擾能力的同時(shí)，也抑制了電路板的電磁輻射。PCB板的EMC設計主要考慮以下因素：

(1) 元器件選擇和布局

選擇EMC性能好的元器件，并盡量選擇表面貼裝的封裝形式。器件合理布局，把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，使各部件之間的引線(xiàn)盡量短。特別是微控制器和CAN控制器的時(shí)鐘源晶體，一定要按規定放置，否則會(huì )不起振。

在位置控制卡中使用了模擬電路，應把模擬電路和高速數字電路合理地分開(kāi)，使相互間的信號耦合為最小。

(2) 合理布局地線(xiàn)，降低地線(xiàn)阻抗

地線(xiàn)電平是所有信號的參考電位。理想狀態(tài)下，電路板上所有的地線(xiàn)應該等電位，但是由于地線(xiàn)阻抗的存在導致地線(xiàn)各點(diǎn)電位有差異，所以應該盡量減小地線(xiàn)阻抗。最有效的辦法是做多層板，在中間專(zhuān)門(mén)設置一層地線(xiàn)面。但是多層板成本較高，本系統中使用了雙層板，在雙層板的布線(xiàn)面布置了盡量多的平行地線(xiàn)，一面是水平線(xiàn)，一面是垂直線(xiàn)，然后在它們交叉的地方用過(guò)孔連接起來(lái)，形成地線(xiàn)網(wǎng)格，可以獲得幾乎和多層板相同的效果。

(3) 穩定電源

CANsmc系統中主站使用ISA插槽供電，從站使用開(kāi)關(guān)電源供電，在電源線(xiàn)的入口處都放置了電容低通濾波器，以過(guò)濾電源中的高頻毛刺。

電路中邏輯門(mén)輸出狀態(tài)切換時(shí)的瞬時(shí)效應、電源線(xiàn)阻抗的存在等不理想狀態(tài)會(huì )使電源線(xiàn)產(chǎn)生噪聲，這些噪聲不僅會(huì )造成電路工作不正常，而且會(huì )產(chǎn)生較強的電磁輻射。除了設置電源線(xiàn)網(wǎng)格來(lái)減小電源線(xiàn)的電感和阻抗外，還可以使用儲能電容。儲能電容為芯片提供了電路輸出發(fā)生變化時(shí)所需的大電流，避免了電源線(xiàn)上的電流突變，減小了感應出的噪聲電壓。儲能電容布置在各個(gè)芯片附近，使它對芯片的供電回路面積盡量小，容量為470~1000pF。對于系統中用到的微控制器和位置控制器等QTP封裝的大型芯片，在其四周每組電源和地引腳附近都放置了儲能電容。

每片芯片的儲能電容放電完畢后，需要及時(shí)充電，做好下次放電的準備。此時(shí)，為了減小對電源系統的擾動(dòng)，在電源線(xiàn)入口處安裝了一個(gè)二級儲能電容，其容量為芯片儲能電容總量的10倍以上。

(4) 降低信號線(xiàn)間串擾

電路板信號線(xiàn)間的串擾也是電路工作不穩定的一個(gè)重要因素，尤其是高頻信號線(xiàn)。減小串擾，不僅要降低線(xiàn)路的電感，還要關(guān)注信號回流線(xiàn)，使回路面積最小。

在布線(xiàn)時(shí)，盡量控制走線(xiàn)的長(cháng)度，加大線(xiàn)路的寬度和線(xiàn)間距離，以減小線(xiàn)路的電感。使用地線(xiàn)網(wǎng)格也可以使信號線(xiàn)回流面積減小，也減小了信號之間的互相耦合。重要信號線(xiàn)和地線(xiàn)之間安裝濾波電容，以提高信號質(zhì)量。高頻時(shí)鐘信號線(xiàn)用地線(xiàn)隔離，以避免和其它信號線(xiàn)耦合。