【導讀】無(wú)論是CAN總線(xiàn)還是485總線(xiàn)，實(shí)際應用中經(jīng)常會(huì )出現各種異常，常因總線(xiàn)組網(wǎng)后，波形邊沿出現過(guò)緩、呈“鐮刀”狀的現象，導致數據丟失或出錯，那么這現象前因后果大家是否真正的了解呢？
案例一
1. CAN總線(xiàn)異?，F象
我司某工業(yè)機器人客戶(hù)反饋，使用SM1500的機器人控制板卡，在傳輸數據過(guò)程中出現丟幀的情況，如下圖1，客戶(hù)現場(chǎng)模擬的組網(wǎng)方式為31個(gè)節點(diǎn)的手拉手拓撲，通訊波特率為250kbps。
圖1 現場(chǎng)組網(wǎng)環(huán)境
若總線(xiàn)收發(fā)器在使用過(guò)程中出現異常，一般會(huì )先從總線(xiàn)波形著(zhù)手去分析原因。如圖2，為客戶(hù)組網(wǎng)的簡(jiǎn)要框圖，我司使用CAN分析儀抓取了第31個(gè)節點(diǎn)處總線(xiàn)波形，發(fā)現波形邊沿過(guò)緩，出現了“鐮刀”狀的現象，如下圖3。
圖2 控制板卡組網(wǎng)簡(jiǎn)要框圖
圖3 CAN總線(xiàn)“鐮刀”波形
總線(xiàn)波形出現“鐮刀”狀的現象通常是由于總線(xiàn)上存在過(guò)大電容起的，根據電容的充放電時(shí)間公式可知t=RC，其中R可看成總線(xiàn)接口內阻與終端電阻，C則是總線(xiàn)上的等效電容。
如圖4，總線(xiàn)等效電容Cj包括總線(xiàn)引腳對地電容Cj1與總線(xiàn)之間的電容Cj2，當總線(xiàn)電平由高變低時(shí)（壓差變化），由于電容上的電壓不能突變，那么電容Cj會(huì )分別通過(guò)內阻R內和終端電阻R終端放電。收發(fā)器內阻和終端電阻一般固定，當電容過(guò)大時(shí)，則放電時(shí)間變長(cháng)，從而導致了總線(xiàn)波形邊沿變緩。
圖4 總線(xiàn)等效電容放電原理框圖
2. CAN接口電路原理與異常分析
SM1500 CAN接口電容一般只有幾皮法，即使31個(gè)節點(diǎn)組網(wǎng)最多也不過(guò)上百皮法，配合終端電阻使用一般不會(huì )出現“鐮刀”狀波形。我司在檢查客戶(hù)CAN接口電路后發(fā)現存在TVS管、氣體放電管等保護器件，如下圖5。TVS管本身存在較大的結電容，一般在幾百到上千皮法，當總線(xiàn)組網(wǎng)后結電容會(huì )累計增加，高速通訊的時(shí)候總線(xiàn)就有可能出現“鐮刀”狀波形。
圖5 控制板卡CAN接口保護電路
將總線(xiàn)接口保護電路的TVS3和TVS4去掉后組網(wǎng)，并測試第31個(gè)節點(diǎn)處波形發(fā)現仍呈“鐮刀”狀，但波形邊沿遲緩程度減小，如圖6，同時(shí)也沒(méi)有再出現丟幀情況。最后再去掉TVS2后測試，“鐮刀”狀波形消失，如圖7。對比去掉TVS管前后波形，邊沿時(shí)間由1.3us減小至160ns，如圖8。
圖6 去掉部分TVS管后總線(xiàn)波形
圖7 去掉全部TVS管后總線(xiàn)波形
圖8 去掉TVS管前后波形邊沿時(shí)間對比
案例二
1. 485總線(xiàn)異?，F象
我司某燈光設備客戶(hù)反饋，使用SM4500的燈光具設備以手拉手方式組網(wǎng)后，在進(jìn)行程序燒寫(xiě)時(shí)，出現了部分設備無(wú)法燒錄程序的情況，組網(wǎng)簡(jiǎn)要框圖如圖9所示。
圖9 燈具設備組網(wǎng)簡(jiǎn)要框圖
通訊波特率為250kbps，如圖10為10臺燈具設備組網(wǎng)后總線(xiàn)波形，從波形看，和案例一相似，也呈“鐮刀”狀。
圖10 485總線(xiàn)“鐮刀”波形
2. 485總線(xiàn)接口電路原理與異常分析
設備接口原理如圖11，客戶(hù)在A(yíng)、B線(xiàn)外加了1nF的電容C3、C4，當多個(gè)設備組網(wǎng)后，總線(xiàn)上電容必然會(huì )隨著(zhù)節點(diǎn)數的增多而增大，不僅起不到消除干擾作用，反而導致了波形失真。
圖11 燈具設備485接口保護電路
為了確認是否是總線(xiàn)外接電容的影響，我司用13臺去掉了電容的設備組網(wǎng)，并測試第13節點(diǎn)處波形，總線(xiàn)“鐮刀”狀波形消失，如圖12左圖，但波形存在尖峰，我司判斷這由于信號反射導致，給第13臺設備端接入120Ω終端電阻后，尖峰消失，如圖12右圖。
圖12 接入終端電阻前后波形對比
應用推薦
經(jīng)過(guò)上述案例分析，可以知道，不管是CAN總線(xiàn)還是485總線(xiàn)，對電容都是非常敏感的，尤其是在高速通訊的時(shí)候。SM1500和SM4500本身就具有良好的EMC防護能力，裸機狀態(tài)下，靜電放電抗擾度滿(mǎn)足IEC/EN 61000-4-2Contact ±6KV；脈沖群抗擾度滿(mǎn)足IEC/EN 61000-4-4 ±2KV；雷擊浪涌抗擾度滿(mǎn)足IEC/EN 61000-4-5 共?！?KV。
實(shí)際應用中，適當的保護還是需要的，當需要增加防護器件時(shí)，需特別關(guān)注寄生電容的影響，盡可能選小電容器件。如圖13，為我司推薦的常用接口防護電路，該電路寄生電容可控制在十幾皮法左右，不僅滿(mǎn)足高速通訊的需求，同時(shí)浪涌防護能力可達到IEC/EN 61000-4-5共模 ±4KV，差模 ±2kV的要求，如表1，給出了一組推薦的器件參數，參數值僅做參考，用戶(hù)需根據實(shí)際情況來(lái)確定適當的值。
圖13 總線(xiàn)常用接口保護電路
表1
如何有效避免鐮刀波形再發(fā)生
1. 避免在總線(xiàn)上直接接入電容，若一定要接入，則必須考慮好通訊波特率的限制，以及組網(wǎng)后電容總和是否會(huì )影響通訊。
2. 避免因增加保護電路器件間接引入過(guò)大電容。在應用環(huán)境良好情況下，可少接或不接保護器件；環(huán)境惡劣則必須接保護器件，但應當選用寄生電容小的器件和電路方案；同一總線(xiàn)不一定每個(gè)節點(diǎn)都需要接保護器件，應當根據環(huán)境惡劣情況、節點(diǎn)總數、波特率等因素選擇。
3. 避免選用劣質(zhì)的通訊線(xiàn)，應當選用寄生電容小、內阻低的屏蔽雙絞線(xiàn)。
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