汽車高速CAN線的特性阻抗研究與測試

陳水華，李雪晶

(德爾福派克電氣系統(tǒng)有限公司產(chǎn)品工程部，上海 201814)

0 引言

車用網(wǎng)絡(luò)是通過總線將汽車上的各種電子裝置與設(shè)備連成一個網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)相互之間的信息共享［1］。它不僅可以簡化系統(tǒng)機構(gòu)、節(jié)省連接電纜、減少冗余的傳感器及相應(yīng)的軟硬件配置;而且能夠更好地控制和協(xié)調(diào)汽車的各個系統(tǒng)，提高各個控制系統(tǒng)運行的可靠性;還可以實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的資源共享，更有利于集中實現(xiàn)各子系統(tǒng)的在線故障診斷。

CAN是控制網(wǎng)絡(luò) Controller Area Network的簡稱［2］。它能夠有效地支持具有很高安全等級的分布式實時控制系統(tǒng)，是構(gòu)造車載網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信總線，其通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等工作［3］。

目前車載網(wǎng)絡(luò)中主要采用了兩種類型的CAN:一種是用于動力系統(tǒng)通信與控制的高速CAN，速率達到500 kb/s，主要面向?qū)崟r性要求較高的控制單元，如發(fā)動機、電動機等。

如圖1所示，另一種是用于車身系統(tǒng)通信與控制的低速CAN，速率是100 kb/s。主要用于實時性要求不高的情況，如車燈、車門、車窗、車載電話等信號的采集以及反饋。

圖1 CAN總線示意圖

各個CAN系統(tǒng)的所有控制單元都并聯(lián)在CAN數(shù)據(jù)總線上。

高速CAN總線一般采用雙絞線結(jié)構(gòu)。

高速CAN總線雙絞線結(jié)構(gòu)由扭絞在一起的CAN-High和CAN-Low兩條線組成。其雙絞結(jié)構(gòu)既可以防止電磁干擾對傳輸信息的影響，也可以防止本身對外界的干擾。

CAN-High和CAN-Low為高低電平兩根數(shù)據(jù)線，同時接收控制器發(fā)出的信號，且高低電平互為鏡像。

1 總線特性阻抗及終端電阻

特性阻抗又稱“特征阻抗”，它不是直流電阻。

在高頻范圍內(nèi)，信號傳輸過程中，信號沿到達的地方，信號線和參考平面(電源或地平面)間由于電場的建立，會產(chǎn)生一個瞬間電流，如果傳輸線是各向同性的，那么只要信號在傳輸，就始終存在一個電流I，而如果信號的輸出電平為V，在信號傳輸過程中，傳輸線就會等效成一個電阻，大小為V/I，把這個等效的電阻稱為傳輸線的特性阻抗Z。

特性阻抗是影響信號質(zhì)量的最重要的因素(見表1)。

如果信號線的各處瞬間阻抗相等，那么信號在傳輸過程中可以平穩(wěn)地向前傳播［4］。

如果傳輸線的各處特性阻抗不同(開路/斷路/阻抗不匹配等)，那么信號能量的一部分就會在阻抗變化的地方發(fā)生反射，并可能形成震蕩，從而破壞信號的連續(xù)性。在低速系統(tǒng)中，由于有足夠的時間使信號在可能導致誤觸發(fā)前穩(wěn)定下來，所以不會有嚴重的后果;在高速的系統(tǒng)中，由于可能沒有足夠的時間使信號在可能導致誤觸發(fā)之前穩(wěn)定下來，就會產(chǎn)生傳輸線的完整性問題，導致嚴重后果，因此要求在高速CAN總線的兩個終端需各加一個與傳輸線特性阻抗相同的終端電阻。

ISO11898規(guī)定CAN總線傳輸介質(zhì)需采用特性電阻為120 Ω的雙絞線、屏蔽雙絞線同軸電纜和光導纖維。且為了電阻匹配，高速CAN總線的2個終端各需要安裝1個標稱值為120 Ω的終端電阻，以減少信號反射、避免振蕩、增強EMC性能、穩(wěn)定并增強差分電壓、提高數(shù)字通信的抗干擾性和可靠性(見表2)。

同時，為了滿足ISO11898要求，主機廠串行通信線束需求中更明確地規(guī)定了CAN總線的線束設(shè)計要求:一般采用非屏蔽雙絞線，其每米絞股數(shù)應(yīng)為33～50，強電磁干擾情況下需采用屏蔽雙絞線，屏蔽層一端接地(見圖2)。

表1 ISO 11898-2傳輸線參數(shù)規(guī)定［5］

表2 ISO 11898-2終端電阻規(guī)定［5］

圖2 高速CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖

2 非屏蔽雙絞線特性阻抗檢測

按照EIA 364-108［6］進行非屏蔽雙絞線特性阻抗檢測， 時域分析儀 Time Domain Reflectometer(TDR)的型號是Agilent E5071C，如圖3。

不同電線的絕緣材料和線型結(jié)構(gòu)是略有不同的，為了獲得汽車線束中常用CAN線材料的特性阻抗的數(shù)據(jù)，按照表3準備8組樣品并進行測試，實驗數(shù)據(jù)如表3。

試驗中發(fā)現(xiàn):PVC電線(FLRYA，F(xiàn)LRY-B)比較軟，絞 股均 勻，特性阻抗在120 Ω上下波動。PE輻照交聯(lián)材料的電線(FLR2X- A，F(xiàn)LR21X-A)，比較 硬，無法絞股均勻，特 性阻抗也較大。

圖3 特性阻抗測試儀設(shè)置和測試時域示意圖

3 電動車驅(qū)動CAN需采用特殊的屏蔽雙絞線

電動車的電磁環(huán)境非常復(fù)雜:電池、主電路、電機等大功率、大電流的電子設(shè)備，控制電路上的時鐘信號、數(shù)字信號、驅(qū)動信號都會產(chǎn)生電磁干擾。汽車采用的電纜本身為無源器件，自身不產(chǎn)生電磁干擾，但其導體為天線，是信號產(chǎn)生輻射發(fā)射的主要原因，也是外來場使信號受到污染的原因(敏感度和抗擾度)。它們把傳輸?shù)碾娔苻D(zhuǎn)變成電磁場，然后泄漏到廣闊的環(huán)境中;同時，它們也能把其周圍的電磁場轉(zhuǎn)變成傳導電信號。因此汽車用電線電纜的抗干擾性成為汽車電子電磁兼容的重要組成部分。

電動車內(nèi)存在大功率、大電流的電力電子裝置驅(qū)動系統(tǒng)，電磁干擾特性同傳統(tǒng)車輛相比有很大不同。大功率的電力電子裝置在運行過程中會產(chǎn)生很強的電磁干擾，可能會使整車運行不穩(wěn)定或影響車載/車外附近電氣設(shè)備的正常工作。因此，僅靠線對絞合已無法達到抗干擾的目的，必須屏蔽才能夠抵抗外界干擾，且屏蔽線的特性阻抗需滿足ISO11898要求。

圖4 PE/PVC雙絞線示意圖

由于自制的普通PVC屏蔽雙絞線特性阻抗只有50 Ω～70 Ω左右，無法滿足要求，所以線束設(shè)計中需要采用特殊的屏蔽雙絞線，如下是特殊屏蔽線和普通PVC屏蔽線的對比情況，如圖4所示。

觀察對比表格中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):特殊屏蔽線和普通PVC屏蔽線相比，電線的絕緣層要厚得多(0.83 mm對0.22 mm)，整體外徑也要大很多(7.60 mm對4.50 mm)。同時，對比試驗中還發(fā)現(xiàn)，帶屏蔽層的CAN線的特性阻抗比去除屏蔽層的雙絞線的特性阻抗要小(見表4)。

表4 特殊屏蔽線和普通PVC屏蔽線的對比表

4 結(jié)束語

非屏蔽PVC雙絞線(FLRY-A，F(xiàn)LRY-B)比較軟，絞股均勻，特性阻抗在120 Ω上下波動，基本能夠滿足 HS-CAN對ISO11898特性阻抗的要求。電動車的電磁環(huán)境非常復(fù)雜，電磁干擾嚴重。為了滿足整車EMC要求，HS-CAN線需采用特殊的屏蔽雙絞線，這種屏蔽線在帶屏蔽層的特性阻抗約104 Ω，不帶屏蔽層時的特性阻抗約為150 Ω。

［1］史久根主編.CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.

［2］王黎明，夏立，邵英，等.CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［3］羅峰，孫澤昌.汽車CAN總線系統(tǒng)原理、設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［4］鄔寬明主編.CAN總線原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，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.