中心議題:
- 介紹評(píng)價(jià)CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的基本標(biāo)準(zhǔn)及其測(cè)試裝置
- 分析CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法并得出相關(guān)結(jié)論
解決方案:
- 在評(píng)價(jià)CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC時(shí),將重點(diǎn)應(yīng)集中于集成收發(fā)器
- 通過(guò)測(cè)試元件或集成電路的EMC,預(yù)先評(píng)價(jià)CAN總線的EMC
- 耦合網(wǎng)絡(luò)和電阻分壓器是實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的關(guān)鍵因素
- 選定測(cè)試裝置后,需制定合適的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò),屬多路傳輸系統(tǒng)的一種,是德國(guó)Bosch公司20世紀(jì)80年代為汽車(chē)中應(yīng)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(yīng)用。CAN幾乎成了汽車(chē)設(shè)計(jì)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(tǒng)安全、可靠運(yùn)行,CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)必須具備良好的電磁兼容性(EMC)。實(shí)踐證明,CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)的EMC很大程度上取決于CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和線束的接口——集成收發(fā)器的性能。因此,評(píng)價(jià)CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的重點(diǎn)應(yīng)集中于集成收發(fā)器。
CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的分析
CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)作為汽車(chē)的子系統(tǒng),其電磁兼容性可以通過(guò)測(cè)試整車(chē)EMC間接地確定。標(biāo)準(zhǔn)ISO 11451和標(biāo)準(zhǔn)CISPR 25分別給出了整車(chē)抗擾性和輻射的測(cè)試方法。然而,整車(chē)測(cè)試不但費(fèi)用昂貴,而且只能在開(kāi)發(fā)的后期進(jìn)行,如果因?yàn)槟硞€(gè)元件或者集成電路導(dǎo)致測(cè)試失敗,將造成巨大損失。
為避免損失,可通過(guò)測(cè)試元件或集成電路的EMC,預(yù)先評(píng)價(jià)CAN總線的EMC,這樣不但能提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,而且非常經(jīng)濟(jì)。SAE和ISO/IEC已經(jīng)制定了幾種元件級(jí)的測(cè)試方法,為元件級(jí)EMC測(cè)試提供了通用的框架。為了具體評(píng)價(jià)CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)的EMC,需要首先分析其電磁兼容環(huán)境。
如圖1所示,CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)由一系列的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)總線相互連接組成??偩€可看作是接收和發(fā)射電磁能量的天線,充當(dāng)能量耦合的環(huán)節(jié),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)既是干擾源又是被擾對(duì)象。由此可知,影響CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的兩個(gè)要素是線束的EMC耦合和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的EMC。其中線束的EMC耦合因數(shù)與CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定有關(guān),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的EMC則是整個(gè)CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的直接度量標(biāo)準(zhǔn)。另外由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可知,收發(fā)器是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和線束的接口,因此收發(fā)器的EMC應(yīng)是測(cè)試CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的關(guān)鍵,通過(guò)測(cè)試收發(fā)器的EMC可以有效地預(yù)評(píng)價(jià)CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)的EMC。
圖1 CAN總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
評(píng)價(jià)CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的基本標(biāo)準(zhǔn)
由于被測(cè)裝置將在汽車(chē)上使用,所以測(cè)試方法應(yīng)從現(xiàn)在的汽車(chē)EMC測(cè)試國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11451、CISPR25、ISO 11452中挑選。這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)不同的測(cè)試裝置和耦合方法,提供了一系列的測(cè)試方法。選擇EMC測(cè)試方法的依據(jù)是在有限設(shè)備的支持下,測(cè)試中以反復(fù)地進(jìn)行。為此,需要在被測(cè)電路和測(cè)試儀器之間提供一種已知的、易復(fù)現(xiàn)的耦合方式。對(duì)于評(píng)價(jià)收發(fā)器類型的集成電路,采用被測(cè)裝置和測(cè)試儀器之間直接耦合的方法即可達(dá)到上述要求。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11452-7提供了直接耦合的測(cè)試方法,可用于元件級(jí)抗擾性的測(cè)試。
a.抗擾性測(cè)試
圖2為標(biāo)準(zhǔn)ISO 11452-7提供的測(cè)試連接圖。圖2中外圍設(shè)備(如電源和數(shù)字信號(hào))連接到被測(cè)裝置,為被測(cè)裝置提供必不可少的工作,連接線路配有濾清器,稱為寬帶模擬網(wǎng)(BAN),它可以防止射頻能量向外圍設(shè)備的輻射。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),濾波器在被測(cè)裝置一邊必須呈高阻態(tài)(輸出阻抗應(yīng)為幾百Ω)。對(duì)于抗擾性評(píng)價(jià),測(cè)試儀器既是發(fā)射能量的干擾源,又是測(cè)量抗擾性電平的測(cè)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(cè)裝置。
圖2 ISO 11452-7的測(cè)試連接圖
ISO 11452-7規(guī)定被測(cè)裝置和BAN之間的最大距離為75 mm,為了在寬頻率范圍內(nèi)提供確定的耦合,一般建議被測(cè)裝置和BAN之間的距離越小越好。同時(shí)為方便測(cè)試能反復(fù)進(jìn)行,最好采用PCB(Printed Circuit Board,即印刷電路板)作為測(cè)試裝置。ISO 11452-7還規(guī)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(hù)功率放大器。
b.輻射測(cè)試
IEC 61967提供了多種集成電路級(jí)電磁輻射測(cè)試方法。與抗擾性測(cè)試相似,優(yōu)先采用被測(cè)裝置和測(cè)試儀器之間直接耦合的測(cè)試方法。IEC 61967-4對(duì)采用直接耦合測(cè)試輻射的方法有詳細(xì)論述,其連接圖與圖2所示抗擾性測(cè)試連接圖完本相同。與抗擾性測(cè)試類似,IEC 61967-4規(guī)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(hào)線的負(fù)載狀態(tài),對(duì)于串行口(收發(fā)器總線引腳)來(lái)說(shuō)該負(fù)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(cè)試連接圖作為后面進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。下面介紹適用于不同網(wǎng)絡(luò)(包括單線CAN、容錯(cuò)CAN和高速CAN)EMC評(píng)價(jià)的測(cè)試裝置。
CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的測(cè)試裝置
a.單線CAN的測(cè)試裝置
單線CAN通過(guò)單根總線連接,一般應(yīng)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(jié)點(diǎn)。圖3所示的測(cè)試PCB上安裝了兩個(gè)單線CAN收發(fā)器AU 5790,電源線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(cè)試板輸出。測(cè)試儀器通過(guò)射頻耦合網(wǎng)絡(luò)與CAN-H連接。
在抗擾性測(cè)試中,射頻信號(hào)發(fā)生器或功率放大裝置與耦合節(jié)點(diǎn)相連,在這個(gè)節(jié)點(diǎn)上測(cè)量抗擾電平。而在輻射測(cè)試中,測(cè)試接收裝置或頻譜分析儀代替射頻信號(hào)發(fā)生裝置連接到耦合節(jié)點(diǎn)上。
圖3 單線CAN總線測(cè)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(cè)量的關(guān)鍵
CAN-H的直流負(fù)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(gòu)成CAN-H的交流負(fù)載,這些元件值的選取應(yīng)接近典型總線負(fù)載的值。其中R2和R6還構(gòu)成電阻分壓器,得到輔助的射頻輸出端(RF-OUT)。R6的選取應(yīng)使RF-OUT點(diǎn)的輸出阻抗為50 Ω,它與輸入阻抗50 Ω的測(cè)試儀器連接,衰減約為32 dB。設(shè)置輔助輸出端的目的:①測(cè)量從耦合節(jié)點(diǎn)到CAN-H線的傳遞函數(shù);②測(cè)量時(shí)域范圍內(nèi)CAN-H的電壓。
抗擾性評(píng)價(jià)對(duì)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(yīng)使CAN-H到搭鐵的耦合阻抗與IEC 61967-4規(guī)定的阻抗150×(1±0.2)Ω相匹配,同時(shí)C1的選取應(yīng)使耦合網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗接近于單線CAN網(wǎng)絡(luò)的典型負(fù)載。C1還決定了射頻耦合網(wǎng)絡(luò)在低頻范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)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(guī)定的最低測(cè)試頻率250 kHz要低。
高頻范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)折頻率由測(cè)試PCB決定,主要應(yīng)避免諧振的發(fā)生。為確定高頻轉(zhuǎn)折頻率,需要先測(cè)量或計(jì)算耦合網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù),Philips半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室利用圖4所示的電路進(jìn)行了耦合網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的測(cè)量和計(jì)算,圖4中CPCB為CAN-H到搭鐵的寄生電容,經(jīng)測(cè)量其值為7.5 pF,測(cè)量和計(jì)算的結(jié)果如圖5所示。將傳遞函數(shù)的計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果相比較,可以發(fā)現(xiàn)兩者非常吻合。并且由圖5可知,至少在500 MHz以內(nèi),測(cè)試電路不會(huì)受到諧振的影響。
圖4 計(jì)算耦合網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的等效電路
圖5 耦合網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的測(cè)量和計(jì)算結(jié)果
電磁輻射評(píng)價(jià)對(duì)射頻耦合網(wǎng)絡(luò)的要求
測(cè)量電磁輻射時(shí),需要知道CAN-H到頻譜分析儀的傳遞函數(shù)。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(zhuǎn)折頻率與公式(1)的結(jié)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(shù)上,才能得到CAN-H線上電磁輻射的直正值。
c.其他CAN系統(tǒng)的耦合網(wǎng)絡(luò)
高速CAN
高速CAN采用雙線傳輸方式,在雙線上傳輸差分信號(hào),主要應(yīng)用于C類網(wǎng)等高速場(chǎng)合,最高傳輸速率可達(dá)1 Mb/s,至少可連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于CAN-H和CAN-L上傳輸?shù)男盘?hào)為差分信號(hào),因而對(duì)高速CAN,EMC的影響主要來(lái)自共模信號(hào)。圖6所示為高速CAN的測(cè)試裝置,其中差分網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)稱負(fù)載是60 Ω,為了耦合共模信號(hào),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(zhuǎn)移,分壓電路R2、R6、R9和R10只有在測(cè)量傳遞函數(shù)時(shí)才被連接到電路中。
圖6 高速CAN測(cè)試裝置原理圖
容錯(cuò)CAN
容錯(cuò)CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)也采用雙線傳輸方式,一般應(yīng)用于中速場(chǎng)合,最高傳輸速率可達(dá)125 kb/s,最多可連接15個(gè)節(jié)點(diǎn)。它的突出優(yōu)點(diǎn)是一旦總線發(fā)生錯(cuò)誤,能自動(dòng)轉(zhuǎn)換到單線傳輸模式,因而需要對(duì)第一條線進(jìn)行測(cè)試。圖7為容錯(cuò)CAN的測(cè)試裝置,由圖7可知射頻耦合網(wǎng)絡(luò)連接到CAN總線的每一端,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(duì)共模信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,元件C1、C3、R7、R8和分壓電路必須成對(duì)相匹配,一般誤差不超過(guò)0.1%。
圖7 容錯(cuò)CAN測(cè)試裝置原理圖
CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
a.電磁輻射的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
選定好測(cè)試裝置之后,還需制定合適的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于電磁輻射的評(píng)價(jià),輻射限值可由被擾對(duì)象的抗擾限值結(jié)合干擾源和被擾對(duì)象之間的耦合得出。眾所周知,車(chē)載電臺(tái)對(duì)其他車(chē)載設(shè)備和系統(tǒng)輻射的干擾最為敏感,因此把車(chē)載電臺(tái)作為被擾對(duì)象,CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)的輻射在車(chē)載電臺(tái)一端必須嚴(yán)格得低于車(chē)載電臺(tái)的抗擾限值。CISPR 25規(guī)定了車(chē)載電臺(tái)天線輸入端的抗擾限值,在中波波段為0 dBμV,長(zhǎng)波波段為5 dBμV。
CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)耦合的傳遞函數(shù)則非常復(fù)雜,它受到耦合路徑的種類、頻率范圍和線束布局等因素的制約,不同的網(wǎng)絡(luò)其耦合函數(shù)也各不相同,很難精確界定。不過(guò)現(xiàn)有CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)踐表明:由于總線信號(hào)的頻譜和被擾對(duì)象的敏感區(qū)域大都在低頻范圍(AM波段)內(nèi),在低頻范圍內(nèi)需要特別注意控制輻射。所以,耦合因數(shù)取AM波段的典型值70 dB,考慮到上文指出測(cè)試裝置的射頻耦合網(wǎng)絡(luò)衰減了15 dB,測(cè)試裝置的射頻耦合點(diǎn)和車(chē)載電臺(tái)天線輸入端之間的耦合因數(shù)則為55 dB。結(jié)合上述兩方面的因素,確定輻射的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。
表1 CAN總線系統(tǒng)電磁輻射的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) dBμV
頻率范圍 長(zhǎng)波 中波
車(chē)載電臺(tái)天線輸入端的限值 6 0
總線上的輻射限值 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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
電磁場(chǎng)是產(chǎn)生對(duì)CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)總線干擾的根本原因,電磁場(chǎng)場(chǎng)與由之產(chǎn)生的干擾信號(hào)之間的關(guān)系稱為抗擾性的耦合因數(shù)。實(shí)踐證明,總線上的干擾電平隨頻率變化而變化。在低頻范圍內(nèi),抗擾耦合因數(shù)較低,干擾電平也較低。隨著頻率的上升由于有效網(wǎng)絡(luò)線長(zhǎng)和波長(zhǎng)之間的關(guān)系發(fā)生了變化,該因數(shù)相應(yīng)增加。在較高的頻率范圍,抗擾耦合因數(shù)小于或等于網(wǎng)絡(luò)線長(zhǎng)和波長(zhǎng)達(dá)到最佳匹配時(shí)的值(一般在短波范圍內(nèi)達(dá)到最佳匹配)。
利用本文的測(cè)試裝置實(shí)際測(cè)量的結(jié)果顯示,在短波頻率范圍內(nèi),抗擾限值為10 V;低于短波頻率范圍時(shí),抗擾限值隨頻率線性下降,如表2所示。
表2 CAN總線系統(tǒng)抗干擾性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
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(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的評(píng)價(jià)方法
a.射頻輻射的測(cè)試和評(píng)價(jià)
有了測(cè)試裝置和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之后,就可以進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的評(píng)價(jià)了。下面以單線CAN為例說(shuō)明CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的評(píng)價(jià)方法。采用圖3所示的單線CAN測(cè)試裝置,按照ISO 11452-7的規(guī)定配置測(cè)試參數(shù),將頻譜分析儀連接到射頻耦合點(diǎn)就可以測(cè)得收發(fā)器輻射能量的頻譜,如圖8所示。
圖8 單線CAN射頻輻射的頻譜
b.抗擾性的測(cè)試和評(píng)價(jià)
同樣采用圖3的測(cè)試裝置,按照IEC 61967-4的規(guī)定配置測(cè)試參數(shù),將信號(hào)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(duì)該點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。注入射頻能量的同時(shí),將CAN數(shù)據(jù)流從CAN-IN端口輸入,比較CAN-IN與CAN-OUT的數(shù)據(jù)流,檢測(cè)并記錄數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。在測(cè)試過(guò)程中逐步地改變測(cè)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(yù)置的最大值,并在每個(gè)射頻干擾電平下監(jiān)控CAN數(shù)據(jù)流的完整性,差別是否發(fā)生傳輸錯(cuò)誤。如果檢測(cè)到一個(gè)或更多的錯(cuò)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(cè)試頻率一起記錄下來(lái),如果記錄的射頻干擾電平低于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),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(shù)據(jù)總線系統(tǒng)。
結(jié)論
通過(guò)評(píng)價(jià)收發(fā)器IC的EMC,可以有效地對(duì)CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)評(píng)價(jià)。該EMC評(píng)價(jià)方法適用于單線CAN、高速CAN和容錯(cuò)CAN系統(tǒng),具有廣泛的應(yīng)用前景。