关于CAN总线的布线
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一、干扰场景及抗干扰措施
场景-1:
地回流与电源干扰,接口部位的干扰
具体表现为:如图1所示,为未隔离时,两个节点的地电位不一致,导致有回流电流,产生共模信号,CAN的抗共模干扰能力是-12~7V,超过这个差值则出现错误,如果共模差超过±36V,烧毁收发器或者电路板。
图1 未隔离时的地回流
措施:
增加隔离模块 如 CTM1051KAT,增加防浪涌电路
隔离地回流
场景-2:
传输过程中的干扰,传输线受到电磁干扰
解决办法:CAN总线为了提高抗干扰能力,采用CANH和CANL差分传输,达到效果就是遇到干扰后,可以“同上同下”,最后CANH-CANL的差分值保持不变。如图7所示。
CANH和CANL要很紧密地靠在一起,否则受到的干扰强度就不一样,就会导致差分信号受到干扰。所以CANH和CANL要紧密地绞在一起,通常双绞线只有33绞/米,而在强干扰场合,双绞程度要超过55绞/米才能达到较好的抗干扰效果。另外线缆的芯截面积要大于0.35~0.5 mm2 ,CAN_H对CAN_L的线间电容小于75 pF/m,如果采用屏蔽双绞线,CAN_H (或CAN_L) 对屏蔽层的电容小于110 pF/m。
可采用双绞线,机械臂中不存在强电磁干扰,33绞/米 的双绞线可用满足传输过程中的抗干扰需求
措施:
更甚一筹的 屏蔽线
带屏蔽层的CAN线,可以良好地抵御电场的干扰,等于整个屏蔽层是一个等势体,避免CAN导线受到干扰。如图9所示,为一个标准的屏蔽双绞线,CANH和CANL通过铝箔和无氧铜丝屏蔽网包裹,如图9所示。需要注意的是和与接插件的连接,在连接部分允许有短于25 mm 的电缆不用双绞。
图 屏蔽双绞线
较好的CAN屏蔽线带有2层屏蔽层,称为双层屏蔽线,其中内层的CAN_GND是与CAN收发器的地连接,外层的Shield是与外壳大地相连。内层可以平衡信号的地电位,抑制共模干扰,减少错误帧,但强干扰时收发器损坏率会提高;外层可以泄放电荷到大地,如图10所示。
图10 双层屏蔽线
使用屏蔽线后,在屏蔽层没有良好接大地前,屏蔽线是不起作用的。所以我们要选择一种接地方式。通常来说,屏蔽层单点接地可以避免地回流(不同位置的地电位不同而导致的产生电流)、多点接地可以加快高频干扰信号的泄放。所以要根据实际情况选择合适的接地方式。如图11所示。
图11 屏蔽层接地方法
二、关于信号层接地
信号地(CAN-GND)正确的接法:
单屏蔽层线缆:如果线缆是单屏蔽层,信号地理想接法是使用专门的信号线将所有节点信号地连接,起到参考地的作用。但如果缺少信号地线,亦可将所有节点信号地都连接到屏蔽层,但这样屏蔽效果亦差强人意。
图 带有屏蔽层双绞线
图 含信号地线双绞线连接方式
三、CAN总线布线形式
1、“手牵手”式连接
手牵手布线是最基本的一种方式,需要注意的是在布线的时候电阻和电抗分配必须合理,一般要求在首尾两端各配一个120欧的终端电阻,不可只接单端或不接。
2、“T”型连接
“T型连接”的布线方式需要注意的是分支的长度,一般波特率在1M的情况下,分支长度最好不要超过0.3m,如果需要增加分支长度,可以降低通讯速率或者使用(CANbridge+)中继器延长距离,一般情况分支布线的情况符合图5即可。
四、接线端子
1、DB_9端子
一般工业中最常用的9针D-Sub连接器,分公头和母头,这里值得一提的是引脚6和9在标准中也是定义了功能的,9定义为收发器/光耦合器的正极电源,但在工业领域常常会有所变化,6和9也常用做CAN设备电源电压的输入引脚,但这种技术局限性较大,因为通过引脚运输到的电流非常有限,参考标准CIA 303_1。
2、OPEN_5端子
Open_5形式的接口定义,如果OPEN_4端子的一般使用1-4pin或2-5pin,如果Open_3端子的一般使用的2-4pin,需根据实际情况选择。
3、M12端子
图3是M12形式的接口定义,在这里可能没有什么特别需要注意的点,还有就是除了5pin的接口还有8pin、9pin、10pin和12pin的接口,具体的定义不在赘述,可参考标准CIA 303_1。
综上所述
CAN总线信号的硬件物理屏蔽可从两部入手,板级的物理隔离层、传输过程中的传输线屏蔽
板级的物理隔离层:采用隔离模块
传输过程中的传输线屏蔽:屏蔽线
两者都要注意屏蔽部分的共地处理,具体见上文
硬件采购
无针对CAN总线的传输线,但是针对485 通讯的传输线淘宝可选
备选项:
1、https://detail.tmall.com/item.htm?spm=a220m.1000858.1000725.16.18563e8esbtBHP&id=536112566659&skuId=3198996923619&areaId=440300&user_id=2938617239&cat_id=2&is_b=1&rn=b115d15b62274451e72dc0e9e083eeb5 RVSP2芯国标1对绞双层屏蔽镀锡网485通讯信号电缆线现货含票 大概 3.0 RMb/米
参考资料:
2、https://mp.weixin.qq.com/s/dt8_0mG3y1sZvxAq61NONg 为什么CAN总线分支在0.3 米内是最可靠的?