CAN的目的是用多點(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。

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。 

圖1：CANsmc應用示意圖

圖1也表示了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。

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。

圖2：電磁兼容的內容

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。

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。

[member]
[page]
(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。

電磁輻射和電磁屏蔽

電磁屏蔽是解決電磁兼容問(wèn)題的重要手段之一，而且不影響電路的正常工作，因此不需要修改電路。屏蔽體的有效性用屏蔽效能來(lái)度量，包括反射損耗和吸收損耗兩部分。保持屏蔽體的導電連續性是電磁屏蔽效能的關(guān)鍵。

CANsmc系統中，CAN總線(xiàn)電纜具有很強的干擾輻射和干擾接收能力。電場(chǎng)在電纜中感應出共模電壓，而磁場(chǎng)在電纜中既可以感應出共模電壓，也可以感應出差模電壓。通過(guò)屏蔽可以將電磁場(chǎng)的感應干擾降低到最小，而使用雙絞線(xiàn)則進(jìn)一步抑制了磁場(chǎng)感應的差模電壓。雙絞線(xiàn)的兩根線(xiàn)之間具有很小的回路面積，而且雙絞線(xiàn)的每?jì)蓚€(gè)相鄰回路上感應出的電流具有相反的方向，相互抵消。雙絞線(xiàn)的絞節越密，則效果越明顯，如圖3所示。為了減小CANsmc中兩路CAN總線(xiàn)之間的串擾，應該將兩組雙絞線(xiàn)分別屏蔽，電纜中不使用的導線(xiàn)接到信號地。

圖3：屏蔽雙絞線(xiàn)對電磁干擾的抑制

根據電磁屏蔽的原理可知，接地與屏蔽效能關(guān)系并不大，但是為了降低靜電放電干擾，整個(gè)屏蔽體需要和大地相連。因此屏蔽層應使用連接器護套與主從站屏蔽機箱連接在一起，避免使用屏蔽層捻成小辮的形式。

傳導干擾和信號濾波與隔離

CANsmc系統正常工作時(shí)，產(chǎn)生較大傳導性干擾的環(huán)節有：開(kāi)關(guān)電源、伺服驅動(dòng)器、I/O控制設備等。而危害更大的干擾則是瞬態(tài)干擾，它的特點(diǎn)是時(shí)間短、幅值大、功率小。瞬態(tài)干擾的形式有：電機狀態(tài)改變時(shí)產(chǎn)生的電快速脈沖群干擾、雷電或大功率開(kāi)關(guān)在電纜上產(chǎn)生的浪涌、靜電放電感應等。傳導干擾以共模形式居多，也有部分為差模干擾。

CAN總線(xiàn)電纜是傳導干擾傳播的一個(gè)重要途徑，在系統中為保證CAN總線(xiàn)通訊的可靠性而使用的EMC措施有：LC濾波器、瞬態(tài)抑制二極管TVS(Transient Voltage Suppressor)、光電隔離等。具體電路如圖4所示。

圖4：CANsmc濾波隔離電路圖

(1) LC濾波器

在電路板的電纜入口處安裝LC濾波器可以濾除CAN總線(xiàn)電纜中傳導的各種高頻干擾信號。LC濾波器的電容并聯(lián)在CAN通訊信號線(xiàn)和信號地線(xiàn)之間，濾除高頻差模干擾的電容，也稱(chēng)為旁路電容。電感串聯(lián)在信號線(xiàn)上，扼制共模干擾電流。使用共模扼流圈則可以避免電感在流過(guò)較大電流時(shí)發(fā)生飽和，導致電感量下降。所有的信號線(xiàn)都要安裝濾波器，否則整體性能會(huì )大大下降。

LC濾波器中電感量和電容量的選擇對濾波器的效果影響很大，如果電容量和電感量選擇過(guò)小，則效果不明顯，如果選擇過(guò)大，會(huì )使工頻信號衰減，引起信號失真。在應用中，CAN總線(xiàn)最高波特率為1Mbps，所以電容器的電容值選用1000pF，電感選用10μH的鐵氧體磁珠。

(2) 瞬態(tài)抑制二極管TVS

瞬態(tài)抑制二極管并聯(lián)在信號線(xiàn)和信號地線(xiàn)之間，用來(lái)保護電纜受到雷擊或靜電放電時(shí)產(chǎn)生的浪涌高壓。當TVS上的電壓超過(guò)一定的幅度時(shí)，器件迅速導通，從而將浪涌能量泄放掉，并將電壓的幅度限制在一定的范圍內。圖4中，每個(gè)信號線(xiàn)都使用了兩個(gè)TVS管BZX84C33進(jìn)行雙向保護，它的額定工作電壓為33V。

(3) 光電隔離

光電隔離是解決傳導干擾問(wèn)題的理想方法，它具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。選擇光耦合器件時(shí)需要考慮兩個(gè)參數：傳輸延時(shí)(Propagation Delay)和共模抑制CMR(Common Mode Rejection)，在傳輸延時(shí)滿(mǎn)足數據通訊波特率的情況下盡量選擇共模抑制能力高的型號。衡量光電耦合器共模抑制能力的方法為：輸出保持高(低)時(shí)可承受的最大共模電壓上升(下降)率CMH(CML)。