汽车高速CAN线的特性阻抗研究与测试

陈水华，李雪晶

(德尔福派克电气系统有限公司产品工程部，上海 201814)

0 引言

车用网络是通过总线将汽车上的各种电子装置与设备连成一个网络，实现相互之间的信息共享［1］。它不仅可以简化系统机构、节省连接电缆、减少冗余的传感器及相应的软硬件配置;而且能够更好地控制和协调汽车的各个系统，提高各个控制系统运行的可靠性;还可以实现各子系统之间的资源共享，更有利于集中实现各子系统的在线故障诊断。

CAN是控制网络 Controller Area Network的简称［2］。它能够有效地支持具有很高安全等级的分布式实时控制系统，是构造车载网络的基础。

CAN总线是一种串行数据通信总线，其通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等工作［3］。

目前车载网络中主要采用了两种类型的CAN:一种是用于动力系统通信与控制的高速CAN，速率达到500 kb/s，主要面向实时性要求较高的控制单元，如发动机、电动机等。

如图1所示，另一种是用于车身系统通信与控制的低速CAN，速率是100 kb/s。主要用于实时性要求不高的情况，如车灯、车门、车窗、车载电话等信号的采集以及反馈。

图1 CAN总线示意图

各个CAN系统的所有控制单元都并联在CAN数据总线上。

高速CAN总线一般采用双绞线结构。

高速CAN总线双绞线结构由扭绞在一起的CAN-High和CAN-Low两条线组成。其双绞结构既可以防止电磁干扰对传输信息的影响，也可以防止本身对外界的干扰。

CAN-High和CAN-Low为高低电平两根数据线，同时接收控制器发出的信号，且高低电平互为镜像。

1 总线特性阻抗及终端电阻

特性阻抗又称“特征阻抗”，它不是直流电阻。

在高频范围内，信号传输过程中，信号沿到达的地方，信号线和参考平面(电源或地平面)间由于电场的建立，会产生一个瞬间电流，如果传输线是各向同性的，那么只要信号在传输，就始终存在一个电流I，而如果信号的输出电平为V，在信号传输过程中，传输线就会等效成一个电阻，大小为V/I，把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z。

特性阻抗是影响信号质量的最重要的因素(见表1)。

如果信号线的各处瞬间阻抗相等，那么信号在传输过程中可以平稳地向前传播［4］。

如果传输线的各处特性阻抗不同(开路/断路/阻抗不匹配等)，那么信号能量的一部分就会在阻抗变化的地方发生反射，并可能形成震荡，从而破坏信号的连续性。在低速系统中，由于有足够的时间使信号在可能导致误触发前稳定下来，所以不会有严重的后果;在高速的系统中，由于可能没有足够的时间使信号在可能导致误触发之前稳定下来，就会产生传输线的完整性问题，导致严重后果，因此要求在高速CAN总线的两个终端需各加一个与传输线特性阻抗相同的终端电阻。

ISO11898规定CAN总线传输介质需采用特性电阻为120 Ω的双绞线、屏蔽双绞线同轴电缆和光导纤维。且为了电阻匹配，高速CAN总线的2个终端各需要安装1个标称值为120 Ω的终端电阻，以减少信号反射、避免振荡、增强EMC性能、稳定并增强差分电压、提高数字通信的抗干扰性和可靠性(见表2)。

同时，为了满足ISO11898要求，主机厂串行通信线束需求中更明确地规定了CAN总线的线束设计要求:一般采用非屏蔽双绞线，其每米绞股数应为33～50，强电磁干扰情况下需采用屏蔽双绞线，屏蔽层一端接地(见图2)。

表1 ISO 11898-2传输线参数规定［5］

表2 ISO 11898-2终端电阻规定［5］

图2 高速CAN总线网络拓扑示意图

2 非屏蔽双绞线特性阻抗检测

按照EIA 364-108［6］进行非屏蔽双绞线特性阻抗检测， 时域分析仪 Time Domain Reflectometer(TDR)的型号是Agilent E5071C，如图3。

不同电线的绝缘材料和线型结构是略有不同的，为了获得汽车线束中常用CAN线材料的特性阻抗的数据，按照表3准备8组样品并进行测试，实验数据如表3。

试验中发现:PVC电线(FLRYA，FLRY-B)比较软，绞 股均 匀，特性阻抗在120 Ω上下波动。PE辐照交联材料的电线(FLR2X- A，FLR21X-A)，比较 硬，无法绞股均匀，特 性阻抗也较大。

图3 特性阻抗测试仪设置和测试时域示意图

3 电动车驱动CAN需采用特殊的屏蔽双绞线

电动车的电磁环境非常复杂:电池、主电路、电机等大功率、大电流的电子设备，控制电路上的时钟信号、数字信号、驱动信号都会产生电磁干扰。汽车采用的电缆本身为无源器件，自身不产生电磁干扰，但其导体为天线，是信号产生辐射发射的主要原因，也是外来场使信号受到污染的原因(敏感度和抗扰度)。它们把传输的电能转变成电磁场，然后泄漏到广阔的环境中;同时，它们也能把其周围的电磁场转变成传导电信号。因此汽车用电线电缆的抗干扰性成为汽车电子电磁兼容的重要组成部分。

电动车内存在大功率、大电流的电力电子装置驱动系统，电磁干扰特性同传统车辆相比有很大不同。大功率的电力电子装置在运行过程中会产生很强的电磁干扰，可能会使整车运行不稳定或影响车载/车外附近电气设备的正常工作。因此，仅靠线对绞合已无法达到抗干扰的目的，必须屏蔽才能够抵抗外界干扰，且屏蔽线的特性阻抗需满足ISO11898要求。

图4 PE/PVC双绞线示意图

由于自制的普通PVC屏蔽双绞线特性阻抗只有50 Ω～70 Ω左右，无法满足要求，所以线束设计中需要采用特殊的屏蔽双绞线，如下是特殊屏蔽线和普通PVC屏蔽线的对比情况，如图4所示。

观察对比表格中的数据可以发现:特殊屏蔽线和普通PVC屏蔽线相比，电线的绝缘层要厚得多(0.83 mm对0.22 mm)，整体外径也要大很多(7.60 mm对4.50 mm)。同时，对比试验中还发现，带屏蔽层的CAN线的特性阻抗比去除屏蔽层的双绞线的特性阻抗要小(见表4)。

表4 特殊屏蔽线和普通PVC屏蔽线的对比表

4 结束语

非屏蔽PVC双绞线(FLRY-A，FLRY-B)比较软，绞股均匀，特性阻抗在120 Ω上下波动，基本能够满足 HS-CAN对ISO11898特性阻抗的要求。电动车的电磁环境非常复杂，电磁干扰严重。为了满足整车EMC要求，HS-CAN线需采用特殊的屏蔽双绞线，这种屏蔽线在带屏蔽层的特性阻抗约104 Ω，不带屏蔽层时的特性阻抗约为150 Ω。

［1］史久根主编.CAN现场总线系统设计技术［M］.北京:国防工业出版社，2004.

［2］王黎明，夏立，邵英，等.CAN现场总线系统的设计与应用［M］.北京:电子工业出版社，2008.

［3］罗峰，孙泽昌.汽车CAN总线系统原理、设计与应用［M］.北京:电子工业出版社，2010.

［4］邬宽明主编.CAN总线原理与应用系统设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1995.

［5］ISO 11898-2:Road vehicles-Controller area network(CAN)-Part 2 High-speed medium access unit［S］，2003.

［6］EIA-364-108 Impedance，Reflection Coefficient，Return Loss，and VSWR Measured in the Time and Frequency Domain Test Procedure for Electrical Connectors，Cable Assemblies or Interconnection Systems［S］，July 2000.