控制设备CAN总线传输的可靠性研究

张颖辉，王治国，张琳雅



控制设备CAN总线传输的可靠性研究

张颖辉1，王治国1，张琳雅2

(1.武汉船用电力推进装置研究所, 武汉 430064; 2. 河北工业大学电气工程学院, 天津 300130）

CAN通讯在船用电力推进系统变频控制设备中广泛应用，由于工作环境比较恶劣和复杂，系统内部和外部的各种电气干扰都会对CAN通讯数据的传输可靠性造成影响。本文分析了影响CAN通讯可靠性的主要原因，提出了针对性的措施，并在实验中进行了验证。

控制设备 CAN总线传输 可靠性

0 引言

CAN，全称为“ Controller Area Network”，即控制器局域网，广泛应用于工业设备控制领域，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制，其传输速度可达1 Mbit/s[1]。

目前我们自主研制的船用电力推进系统变频控制装置大多采用CAN通讯进行信息交互，CAN通讯的可靠性对船用电力推进系统的可靠运行起着至关重要的作用，船用电力推进系统的工作环境是比较恶劣和复杂的，系统内部和外部的各种电气干扰都会对CAN通讯数据的传输造成影响。故障频发会导致整个系统的不稳定甚至瘫痪，提高控制设备CAN总线传输的可靠性至关重要。

1 影响CAN总线传输可靠性的原因分析

CAN是一种多主方式的串行通讯总线，网络构成形式为总线式，终端电阻安装于网络两端，示意图如图1所示。与一般的通信总线相比，CAN总线在数据通信上具有突出的可靠性、实时性和灵活性，但实际的工程应用过程中，通信数据受许多因素的影响，可能致使传输的波形失真，达不到预期的效果。实际设备中可能影响CAN通讯可靠性的主要原因分析如下：

1) 供电电源电压的影响

通讯芯片的工作电压VCC需保证在其标称工作电压范围内，若VCC不稳定，甚至出现大的波动，则会出现数据中断或波形失真。

2) 传输通讯导线的选择及接法的影响

CAN总线的通讯数据传输中一般选用普通屏蔽线或屏蔽双绞线作为传输介质，通讯导线的选择和接法不合理会引入外部的电磁干扰，导致丢帧或误码。

3) CAN节点之间的通讯地电位相差过大的影响

在实际工程应用中，由于现场条件的限制，进行CAN通讯的变频控制设备间可能存在较大的地电位差，甚至有的设备是浮地的，各个节点之间的电位差会导致通讯不稳定甚至通讯失败。

4) 总线终端电阻不匹配的影响

控制设备CAN总线拓扑结构主要采用美国国家标准SAE1939规定的网络拓扑结构，如图1所示，CAN通讯终端节点需匹配合适的终端电阻，否则影响通讯的可靠性和抗扰度。

2 提高控制设备CAN总线传输的可靠性的几点措施

通讯电路中CAN收发器选用尤为重要，PHILIPS的高速CAN收发器TJA1040，具有速率高、低功耗、电磁性能优越等特点，自检错能力强，还可工作于睡眠模式，其标称的工作电压范围为4.75～5.25 V。

1) 提高通讯芯片供电电源电压稳定性

在设计中需采用专用电源芯片供电，提高供电电压的稳定性，同时在允许范围内尽量提高供电电平，增强驱动能力和抗扰度。

2) 通讯导线的选择及接法不合理

CAN总线的通讯数据传输中一般选用普通屏蔽线或屏蔽双绞线作为传输介质。

本测试试验中选用变频控制器作为受试设备，模拟现场工作方式，通过上位机测试软件进行数据监测，借助于电磁干扰仪，将通讯线缆用软铜箔包裹，以施加强电磁干扰脉冲CAN通讯线路。如图2所示。

分别选用普通2芯屏蔽线、普通3芯屏蔽线和屏蔽双绞线作为通讯导线，不同的接地方式下，对试验现象进行了统计。统计结果见下表1。

试验结果表明：普通3芯屏蔽线两端接地的连接方式在抗扰度方面优于其他几种连接方式，即设备之间的CAN通讯导线采用3芯屏蔽线，并将线缆的屏蔽层两端分别与第三根线的两端相连接，再将线缆两端牢固接机壳地。

3) CAN节点之间的通讯地电位相差过大

对此种情况进行了模拟测试，具体方法如下。在进行CAN通讯的两相邻设备的通讯地之间施加一个直流电源，缓慢增大该电源输出电压，记录当CAN通讯失败时的电压。

将变频控制器的CAN接口与另一控制设备的CAN接口连接，通讯正常，在变频控制器的CAN电源地与另一控制设备的CAN电源地之间串入直流电压源，缓慢从0 V增加电压，到10 V时示波器观测可看到CANH与CANL的通讯波形开始出现尖峰毛刺，随着电压的增大毛刺的尖峰幅值越来越大，当电压加到30 V时，报通讯故障，此时毛刺的幅值为6.64 V。示波器观测的测试波形如图3所示。

反复上述过程，均在30 V左右时通讯瘫痪。

在CAN通讯网络的各个节点处的直流供电电源地与机壳地之间串入1 MΩ的电阻，再次进行前面所述实验，即在进行CAN通讯的两相邻设备的通讯地之间施加一个电源，缓慢增大该电源，输入为30 V电压时，CAN通讯正常，升高电压到40 V时亦正常。用数字万用表检测发现，相邻两节点的通讯地之间的电压差只有1 V。

4)总线终端电阻不匹配；

按照ISO11898标准规定，CAN总线终端必须按照通讯导线的特性阻抗，采用匹配电阻，阻值为100～150 Ω之间，典型值为120 Ω[2]。

目前我们采用的CAN总线的传输物理介质为屏蔽双绞线或普通屏蔽电缆，通经过查阅电缆手册以及相应的公式计算可得出，屏蔽双绞线或普通屏蔽电缆的电缆特性与总线长度以及位速率的关系如下表2所示。

电阻匹配的一般形式为整体电阻匹配[3]，即直接采用一个120 Ω左右的电阻接在总线终端的CANH和CANL之间。为了提高抗共模干扰和电磁干扰能力，采用改良的电阻匹配形式一分裂电阻匹配。同时，各个分支节点处为减小驻波，减小共模干扰，也需要有合适的匹配电阻。

按照目前决定采用的通讯导线的特性阻抗，CAN网络采用如图4所示的匹配方式，在网络各个分支节点处选用两个1 kΩ的匹配电阻；若为网络终端节点处则选用终端电阻，采用分布式接法，选用两个62Ω的电阻，同时，各节点处均采用47 nF电容进行滤波。

3 提高CAN通讯传输可靠性的其他巩固措施

制定CAN通讯协议标准，规范设计；使用直径更粗通讯线缆，减小通讯导线电阻，从而减少传输损耗；选用分布电容较小的通讯线缆，降低分布电容对同步位相位的影响；在CANH和CANL之间并联一对方向相反的瞬态二极管D1、D2，可防雷击，以及防止其他总线上的瞬变干扰；在CANH和CANL接口处接共模电感和滤波电容，滤除接口处的高频共模干扰。接口处的设计如下图5所示。

[1] 杜洪亮，张培仁，王亮，崔军辉. CAN总线远程传输可靠性的设计方法和实现[J]. 电子技术.

[2] 刘涛. CAN总线接口中的关键问题[J]. 工况自动化，2007.

[3] CAN总线应用匹配设计[J]. 计算机与网络，2011, (2):38-41.

Research on the Reliability of CAN-bus Communication

Zhang Yinghui1, Wang Zhiguo1, Zhang Linya2

(1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Electric Engineering of Hebei University of Technology, Tianjing 300130, China)

TN911.5

A

1003-4862（2014）09-0055-03

2014-07-15

国家科技支撑计划项目（2012BAG03B01）

张颖辉（1983-），女，工程师。研究方向：船用电力推进变频装置控制硬件设计。