中心議題：

• 介紹評價(jià)CAN數據總線(xiàn)系統EMC的基本標準及其測試裝置
• 分析CAN數據總線(xiàn)系統EMC的評價(jià)標準和方法并得出相關(guān)結論

解決方案：

• 在評價(jià)CAN數據總線(xiàn)系統EMC時(shí)，將重點(diǎn)應集中于集成收發(fā)器
• 通過(guò)測試元件或集成電路的EMC，預先評價(jià)CAN總線(xiàn)的EMC
• 耦合網(wǎng)絡(luò )和電阻分壓器是實(shí)現精確測量的關(guān)鍵因素
• 選定測試裝置后，需制定合適的評價(jià)標準
  

CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò )，屬多路傳輸系統的一種，是德國B(niǎo)osch公司20世紀80年代為汽車(chē)中應用越來(lái)越多的控制器而提出的一種網(wǎng)絡(luò )概念，因其良好的性能價(jià)格比和可靠性，近年來(lái)得到廣泛應用。CAN幾乎成了汽車(chē)設計領(lǐng)域一種必須采用的技術(shù)手段。為保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統安全、可靠運行，CAN數據總線(xiàn)系統必須具備良好的電磁兼容性(EMC)。實(shí)踐證明，CAN數據總線(xiàn)系統的EMC很大程度上取決于CAN網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)和線(xiàn)束的接口——集成收發(fā)器的性能。因此，評價(jià)CAN數據總線(xiàn)系統EMC的重點(diǎn)應集中于集成收發(fā)器。

CAN數據總線(xiàn)系統EMC的分析
CAN數據總線(xiàn)系統作為汽車(chē)的子系統，其電磁兼容性可以通過(guò)測試整車(chē)EMC間接地確定。標準ISO 11451和標準CISPR 25分別給出了整車(chē)抗擾性和輻射的測試方法。然而，整車(chē)測試不但費用昂貴，而且只能在開(kāi)發(fā)的后期進(jìn)行，如果因為某個(gè)元件或者集成電路導致測試失敗，將造成巨大損失。

為避免損失，可通過(guò)測試元件或集成電路的EMC，預先評價(jià)CAN總線(xiàn)的EMC，這樣不但能提前發(fā)現問(wèn)題，而且非常經(jīng)濟。SAE和ISO/IEC已經(jīng)制定了幾種元件級的測試方法，為元件級EMC測試提供了通用的框架。為了具體評價(jià)CAN數據總線(xiàn)系統的EMC，需要首先分析其電磁兼容環(huán)境。

如圖1所示，CAN數據總線(xiàn)系統由一系列的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通過(guò)總線(xiàn)相互連接組成?？偩€(xiàn)可看作是接收和發(fā)射電磁能量的天線(xiàn)，充當能量耦合的環(huán)節，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)既是干擾源又是被擾對象。由此可知，影響CAN數據總線(xiàn)系統EMC的兩個(gè)要素是線(xiàn)束的EMC耦合和網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的EMC。其中線(xiàn)束的EMC耦合因數與CAN數據總線(xiàn)系統EMC評價(jià)標準的制定有關(guān)，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的EMC則是整個(gè)CAN數據總線(xiàn)系統EMC的直接度量標準。另外由網(wǎng)絡(luò )結構可知，收發(fā)器是網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)和線(xiàn)束的接口，因此收發(fā)器的EMC應是測試CAN數據總線(xiàn)系統EMC的關(guān)鍵，通過(guò)測試收發(fā)器的EMC可以有效地預評價(jià)CAN數據總線(xiàn)系統的EMC。
 

圖1  CAN總線(xiàn)系統結構圖

評價(jià)CAN數據總線(xiàn)系統EMC的基本標準
由于被測裝置將在汽車(chē)上使用，所以測試方法應從現在的汽車(chē)EMC測試國際標準ISO 11451、CISPR25、ISO 11452中挑選。這些標準對應不同的測試裝置和耦合方法，提供了一系列的測試方法。選擇EMC測試方法的依據是在有限設備的支持下，測試中以反復地進(jìn)行。為此，需要在被測電路和測試儀器之間提供一種已知的、易復現的耦合方式。對于評價(jià)收發(fā)器類(lèi)型的集成電路，采用被測裝置和測試儀器之間直接耦合的方法即可達到上述要求。國際標準ISO 11452－7提供了直接耦合的測試方法，可用于元件級抗擾性的測試。

a.抗擾性測試
圖2為標準ISO 11452－7提供的測試連接圖。圖2中外圍設備(如電源和數字信號)連接到被測裝置，為被測裝置提供必不可少的工作，連接線(xiàn)路配有濾清器，稱(chēng)為寬帶模擬網(wǎng)(BAN)，它可以防止射頻能量向外圍設備的輻射。根據經(jīng)驗，濾波器在被測裝置一邊必須呈高阻態(tài)(輸出阻抗應為幾百Ω)。對于抗擾性評價(jià)，測試儀器既是發(fā)射能量的干擾源，又是測量抗擾性電平的測試儀器，此時(shí)射頻能量通過(guò)射頻耦合網(wǎng)絡(luò )注入被測裝置。
 

圖2  ISO 11452-7的測試連接圖
ISO 11452－7規定被測裝置和BAN之間的最大距離為75 mm，為了在寬頻率范圍內提供確定的耦合，一般建議被測裝置和BAN之間的距離越小越好。同時(shí)為方便測試能反復進(jìn)行，最好采用PCB(Printed Circuit Board，即印刷電路板)作為測試裝置。ISO 11452－7還規定射頻耦合網(wǎng)絡(luò )由隔直電容器和10 dB的衰減器串聯(lián)組成，電容器的作用是抑制直流分量，衰減器減小阻抗失配以保護功率放大器。

b.輻射測試
IEC 61967提供了多種集成電路級電磁輻射測試方法。與抗擾性測試相似，優(yōu)先采用被測裝置和測試儀器之間直接耦合的測試方法。IEC 61967－4對采用直接耦合測試輻射的方法有詳細論述，其連接圖與圖2所示抗擾性測試連接圖完本相同。與抗擾性測試類(lèi)似，IEC 61967－4規定耦合網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)隔直電容器和一個(gè)電阻串聯(lián)組成，工作在信號線(xiàn)的負載狀態(tài)，對于串行口(收發(fā)器總線(xiàn)引腳)來(lái)說(shuō)該負載的值很小，不會(huì )影響收發(fā)器的正常工作。

綜上所述，采用圖2所示的測試連接圖作為后面進(jìn)行CAN數據總線(xiàn)系統EMC評價(jià)的基礎。下面介紹適用于不同網(wǎng)絡(luò )(包括單線(xiàn)CAN、容錯CAN和高速CAN)EMC評價(jià)的測試裝置。

CAN數據總線(xiàn)系統EMC的測試裝置
a.單線(xiàn)CAN的測試裝置
單線(xiàn)CAN通過(guò)單根總線(xiàn)連接，一般應用于低速場(chǎng)合，典型傳輸速率33 kb/s，最多可連接32個(gè)節點(diǎn)。圖3所示的測試PCB上安裝了兩個(gè)單線(xiàn)CAN收發(fā)器AU 5790，電源線(xiàn)BAN2(包含電源濾波電感器)濾波器F1和F2給收發(fā)器提供工作電壓。收發(fā)器1接收經(jīng)BAN1(包含1 kΩ的串聯(lián)電阻)輸入的CAN信息，并經(jīng)CAN－H發(fā)送到收發(fā)器2，收發(fā)器2再將信息經(jīng)BAN1從測試板輸出。測試儀器通過(guò)射頻耦合網(wǎng)絡(luò )與CAN－H連接。

在抗擾性測試中，射頻信號發(fā)生器或功率放大裝置與耦合節點(diǎn)相連，在這個(gè)節點(diǎn)上測量抗擾電平。而在輻射測試中，測試接收裝置或頻譜分析儀代替射頻信號發(fā)生裝置連接到耦合節點(diǎn)上。
 

圖3  單線(xiàn)CAN總線(xiàn)測試裝置原理圖

b.耦合網(wǎng)絡(luò )和電阻分壓器是進(jìn)行精確測量的關(guān)鍵
CAN－H的直流負載為R2和R6，電阻約為1 kΩ，射頻耦合網(wǎng)絡(luò )中的R1、C1和R3構成CAN－H的交流負載，這些元件值的選取應接近典型總線(xiàn)負載的值。其中R2和R6還構成電阻分壓器，得到輔助的射頻輸出端(RF－OUT)。R6的選取應使RF－OUT點(diǎn)的輸出阻抗為50 Ω，它與輸入阻抗50 Ω的測試儀器連接，衰減約為32 dB。設置輔助輸出端的目的：①測量從耦合節點(diǎn)到CAN－H線(xiàn)的傳遞函數；②測量時(shí)域范圍內CAN－H的電壓。

抗擾性評價(jià)對射頻耦合網(wǎng)絡(luò )的要求
耦合網(wǎng)絡(luò )組成的要素是R1和C1，R1的選取應使CAN－H到搭鐵的耦合阻抗與IEC 61967－4規定的阻抗150×(1±0.2)Ω相匹配，同時(shí)C1的選取應使耦合網(wǎng)絡(luò )的等效阻抗接近于單線(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò )的典型負載。C1還決定了射頻耦合網(wǎng)絡(luò )在低頻范圍內的轉折頻率f：
f=1/[2π(RS＋R1)C1]
   =1/[2×π×145×4.7×10－9≈225 kHz            (1)
該頻率比ISO 11452－7中規定的最低測試頻率250 kHz要低。

高頻范圍內的轉折頻率由測試PCB決定，主要應避免諧振的發(fā)生。為確定高頻轉折頻率，需要先測量或計算耦合網(wǎng)絡(luò )的傳遞函數，Philips半導體實(shí)驗室利用圖4所示的電路進(jìn)行了耦合網(wǎng)絡(luò )傳遞函數的測量和計算，圖4中CPCB為CAN－H到搭鐵的寄生電容，經(jīng)測量其值為7.5 pF，測量和計算的結果如圖5所示。將傳遞函數的計算結果與測量結果相比較，可以發(fā)現兩者非常吻合。并且由圖5可知，至少在500 MHz以?xún)?，測試電路不會(huì )受到諧振的影響。
 

圖4  計算耦合網(wǎng)絡(luò )傳遞函數的等效電路
 

圖5  耦合網(wǎng)絡(luò )傳遞函數的測量和計算結果

電磁輻射評價(jià)對射頻耦合網(wǎng)絡(luò )的要求
測量電磁輻射時(shí)，需要知道CAN－H到頻譜分析儀的傳遞函數。射頻耦合網(wǎng)絡(luò )和頻譜分析儀的輸入阻搞具有高通濾波的特性，轉折頻率與公式(1)的結果相同，通常衰減約為15 dB，因而把該值加到頻譜分析儀的讀數上，才能得到CAN－H線(xiàn)上電磁輻射的直正值。

c.其他CAN系統的耦合網(wǎng)絡(luò )
高速CAN
高速CAN采用雙線(xiàn)傳輸方式，在雙線(xiàn)上傳輸差分信號，主要應用于C類(lèi)網(wǎng)等高速場(chǎng)合，最高傳輸速率可達1 Mb/s，至少可連接110個(gè)節點(diǎn)。由于CAN－H和CAN－L上傳輸的信號為差分信號，因而對高速CAN，EMC的影響主要來(lái)自共模信號。圖6所示為高速CAN的測試裝置，其中差分網(wǎng)絡(luò )的標稱(chēng)負載是60 Ω，為了耦合共模信號，將其分成為相等的兩份R7、R8，一般兩者之間的誤差不超過(guò)0.1％。同時(shí)為了避免電平偏差的轉移，分壓電路R2、R6、R9和R10只有在測量傳遞函數時(shí)才被連接到電路中。
 

圖6  高速CAN測試裝置原理圖

容錯CAN
　　容錯CAN數據總線(xiàn)系統也采用雙線(xiàn)傳輸方式，一般應用于中速場(chǎng)合，最高傳輸速率可達125 kb/s，最多可連接15個(gè)節點(diǎn)。它的突出優(yōu)點(diǎn)是一旦總線(xiàn)發(fā)生錯誤，能自動(dòng)轉換到單線(xiàn)傳輸模式，因而需要對第一條線(xiàn)進(jìn)行測試。圖7為容錯CAN的測試裝置，由圖7可知射頻耦合網(wǎng)絡(luò )連接到CAN總線(xiàn)的每一端，CAN－H經(jīng)R8搭鐵，CAN－L經(jīng)R7接電源電壓，分壓電路R2、R6和R9、R10提供了輔助輸出端。同樣為方便對共模信號進(jìn)行測量，元件C1、C3、R7、R8和分壓電路必須成對相匹配，一般誤差不超過(guò)0.1％。
 

圖7  容錯CAN測試裝置原理圖

CAN數據總線(xiàn)系統EMC的評價(jià)標準
a.電磁輻射的評價(jià)標準
選定好測試裝置之后，還需制定合適的評價(jià)標準。對于電磁輻射的評價(jià)，輻射限值可由被擾對象的抗擾限值結合干擾源和被擾對象之間的耦合得出。眾所周知，車(chē)載電臺對其他車(chē)載設備和系統輻射的干擾最為敏感，因此把車(chē)載電臺作為被擾對象，CAN數據總線(xiàn)系統的輻射在車(chē)載電臺一端必須嚴格得低于車(chē)載電臺的抗擾限值。CISPR 25規定了車(chē)載電臺天線(xiàn)輸入端的抗擾限值，在中波波段為0 dBμV，長(cháng)波波段為5 dBμV。

CAN數據總線(xiàn)系統耦合的傳遞函數則非常復雜，它受到耦合路徑的種類(lèi)、頻率范圍和線(xiàn)束布局等因素的制約，不同的網(wǎng)絡(luò )其耦合函數也各不相同，很難精確界定。不過(guò)現有CAN數據總線(xiàn)系統應用的實(shí)踐表明：由于總線(xiàn)信號的頻譜和被擾對象的敏感區域大都在低頻范圍(AM波段)內，在低頻范圍內需要特別注意控制輻射。所以，耦合因數取AM波段的典型值70 dB，考慮到上文指出測試裝置的射頻耦合網(wǎng)絡(luò )衰減了15 dB，測試裝置的射頻耦合點(diǎn)和車(chē)載電臺天線(xiàn)輸入端之間的耦合因數則為55 dB。結合上述兩方面的因素，確定輻射的評價(jià)標準如表1所示。
表1 CAN總線(xiàn)系統電磁輻射的評價(jià)標準 dBμV
頻率范圍 長(cháng)波 中波
車(chē)載電臺天線(xiàn)輸入端的限值  6 0
總線(xiàn)上的輻射限值 76（=6+70） 70
頻譜分析儀器輸入端的限值 61（=6+70-15） 55

b.抗擾性的評價(jià)標準
電磁場(chǎng)是產(chǎn)生對CAN數據總線(xiàn)系統總線(xiàn)干擾的根本原因，電磁場(chǎng)場(chǎng)與由之產(chǎn)生的干擾信號之間的關(guān)系稱(chēng)為抗擾性的耦合因數。實(shí)踐證明，總線(xiàn)上的干擾電平隨頻率變化而變化。在低頻范圍內，抗擾耦合因數較低，干擾電平也較低。隨著(zhù)頻率的上升由于有效網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)長(cháng)和波長(cháng)之間的關(guān)系發(fā)生了變化，該因數相應增加。在較高的頻率范圍，抗擾耦合因數小于或等于網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)長(cháng)和波長(cháng)達到最佳匹配時(shí)的值(一般在短波范圍內達到最佳匹配)。

利用本文的測試裝置實(shí)際測量的結果顯示，在短波頻率范圍內，抗擾限值為10 V；低于短波頻率范圍時(shí)，抗擾限值隨頻率線(xiàn)性下降，如表2所示。
表2 CAN總線(xiàn)系統抗干擾性的評價(jià)標準
頻率范圍 5MHZ以下 5MHZ以上
抗干擾性電平（均方根值） f×2V/MHz 10V

CAN數據總線(xiàn)系統EMC的評價(jià)方法
a.射頻輻射的測試和評價(jià)
有了測試裝置和評價(jià)標準之后，就可以進(jìn)行CAN數據總線(xiàn)系統EMC的評價(jià)了。下面以單線(xiàn)CAN為例說(shuō)明CAN數據總線(xiàn)系統EMC的評價(jià)方法。采用圖3所示的單線(xiàn)CAN測試裝置，按照ISO 11452－7的規定配置測試參數，將頻譜分析儀連接到射頻耦合點(diǎn)就可以測得收發(fā)器輻射能量的頻譜，如圖8所示。
 

圖8  單線(xiàn)CAN射頻輻射的頻譜

b.抗擾性的測試和評價(jià)
同樣采用圖3的測試裝置，按照IEC 61967－4的規定配置測試參數，將信號發(fā)生器通過(guò)功率放大器連接到射頻耦合點(diǎn)，使用電壓表或能量表對該點(diǎn)進(jìn)行測量。注入射頻能量的同時(shí)，將CAN數據流從CAN－IN端口輸入，比較CAN－IN與CAN－OUT的數據流，檢測并記錄數據錯誤。在測試過(guò)程中逐步地改變測試頻率，在每個(gè)頻點(diǎn)，射頻干擾電平從最小值逐步增加到預置的最大值，并在每個(gè)射頻干擾電平下監控CAN數據流的完整性，差別是否發(fā)生傳輸錯誤。如果檢測到一個(gè)或更多的錯誤則該點(diǎn)就是集成電路的抗干擾的極限值。把該電平值和測試頻率一起記錄下來(lái)，如果記錄的射頻干擾電平低于評價(jià)標準，說(shuō)明收發(fā)器集成電路的抗擾性能差，不適用于汽車(chē)的CAN數據總線(xiàn)系統。

結論
通過(guò)評價(jià)收發(fā)器IC的EMC，可以有效地對CAN數據總線(xiàn)系統進(jìn)行預評價(jià)。該EMC評價(jià)方法適用于單線(xiàn)CAN、高速CAN和容錯CAN系統，具有廣泛的應用前景。