為何總線“鐮刀”波形頻頻發(fā)生?

無論是CAN總線還是485總線，實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會出現(xiàn)各種異常，常因總線組網(wǎng)后，波形邊沿出現(xiàn)過緩、呈“鐮刀”狀的現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或出錯，那么這現(xiàn)象前因后果大家是否真正的了解呢？ 

案例一

1. CAN總線異?，F(xiàn)象

我司某工業(yè)機(jī)器人客戶反饋，使用SM1500的機(jī)器人控制板卡，在傳輸數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)丟幀的情況，如下圖1，客戶現(xiàn)場模擬的組網(wǎng)方式為31個(gè)節(jié)點(diǎn)的手拉手拓?fù)洌ㄓ嵅ㄌ芈蕿?50kbps。

圖1 現(xiàn)場組網(wǎng)環(huán)境

若總線收發(fā)器在使用過程中出現(xiàn)異常，一般會先從總線波形著手去分析原因。如圖2，為客戶組網(wǎng)的簡要框圖，我司使用CAN分析儀抓取了第31個(gè)節(jié)點(diǎn)處總線波形，發(fā)現(xiàn)波形邊沿過緩，出現(xiàn)了“鐮刀”狀的現(xiàn)象，如下圖3。

圖2 控制板卡組網(wǎng)簡要框圖

圖3 CAN總線“鐮刀”波形

總線波形出現(xiàn)“鐮刀”狀的現(xiàn)象通常是由于總線上存在過大電容起的，根據(jù)電容的充放電時(shí)間公式可知t=RC，其中R可看成總線接口內(nèi)阻與終端電阻，C則是總線上的等效電容。

如圖4，總線等效電容Cj包括總線引腳對地電容Cj1與總線之間的電容Cj2，當(dāng)總線電平由高變低時(shí)（壓差變化），由于電容上的電壓不能突變，那么電容Cj會分別通過內(nèi)阻R內(nèi)和終端電阻R終端放電。收發(fā)器內(nèi)阻和終端電阻一般固定，當(dāng)電容過大時(shí)，則放電時(shí)間變長，從而導(dǎo)致了總線波形邊沿變緩。

圖4 總線等效電容放電原理框圖

2. CAN接口電路原理與異常分析

SM1500 CAN接口電容一般只有幾皮法，即使31個(gè)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)最多也不過上百皮法，配合終端電阻使用一般不會出現(xiàn)“鐮刀”狀波形。我司在檢查客戶CAN接口電路后發(fā)現(xiàn)存在TVS管、氣體放電管等保護(hù)器件，如下圖5。TVS管本身存在較大的結(jié)電容，一般在幾百到上千皮法，當(dāng)總線組網(wǎng)后結(jié)電容會累計(jì)增加，高速通訊的時(shí)候總線就有可能出現(xiàn)“鐮刀”狀波形。

圖5 控制板卡CAN接口保護(hù)電路

將總線接口保護(hù)電路的TVS3和TVS4去掉后組網(wǎng)，并測試第31個(gè)節(jié)點(diǎn)處波形發(fā)現(xiàn)仍呈“鐮刀”狀，但波形邊沿遲緩程度減小，如圖6，同時(shí)也沒有再出現(xiàn)丟幀情況。最后再去掉TVS2后測試，“鐮刀”狀波形消失，如圖7。對比去掉TVS管前后波形，邊沿時(shí)間由1.3us減小至160ns，如圖8。

圖6 去掉部分TVS管后總線波形

圖7 去掉全部TVS管后總線波形

圖8 去掉TVS管前后波形邊沿時(shí)間對比

案例二

1. 485總線異常現(xiàn)象

我司某燈光設(shè)備客戶反饋，使用SM4500的燈光具設(shè)備以手拉手方式組網(wǎng)后，在進(jìn)行程序燒寫時(shí)，出現(xiàn)了部分設(shè)備無法燒錄程序的情況，組網(wǎng)簡要框圖如圖9所示。

圖9 燈具設(shè)備組網(wǎng)簡要框圖

通訊波特率為250kbps，如圖10為10臺燈具設(shè)備組網(wǎng)后總線波形，從波形看，和案例一相似，也呈“鐮刀”狀。

圖10 485總線“鐮刀”波形

2. 485總線接口電路原理與異常分析

設(shè)備接口原理如圖11，客戶在A、B線外加了1nF的電容C3、C4，當(dāng)多個(gè)設(shè)備組網(wǎng)后，總線上電容必然會隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多而增大，不僅起不到消除干擾作用，反而導(dǎo)致了波形失真。

圖11 燈具設(shè)備485接口保護(hù)電路

為了確認(rèn)是否是總線外接電容的影響，我司用13臺去掉了電容的設(shè)備組網(wǎng)，并測試第13節(jié)點(diǎn)處波形，總線“鐮刀”狀波形消失，如圖12左圖，但波形存在尖峰，我司判斷這由于信號反射導(dǎo)致，給第13臺設(shè)備端接入120Ω終端電阻后，尖峰消失，如圖12右圖。

圖12 接入終端電阻前后波形對比

應(yīng)用推薦

經(jīng)過上述案例分析，可以知道，不管是CAN總線還是485總線，對電容都是非常敏感的，尤其是在高速通訊的時(shí)候。SM1500和SM4500本身就具有良好的EMC防護(hù)能力，裸機(jī)狀態(tài)下，靜電放電抗擾度滿足IEC/EN 61000-4-2Contact ±6KV；脈沖群抗擾度滿足IEC/EN 61000-4-4 ±2KV；雷擊浪涌抗擾度滿足IEC/EN 61000-4-5 共模±2KV。

實(shí)際應(yīng)用中，適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)還是需要的，當(dāng)需要增加防護(hù)器件時(shí)，需特別關(guān)注寄生電容的影響，盡可能選小電容器件。如圖13，為我司推薦的常用接口防護(hù)電路，該電路寄生電容可控制在十幾皮法左右，不僅滿足高速通訊的需求，同時(shí)浪涌防護(hù)能力可達(dá)到IEC/EN 61000-4-5共模 ±4KV，差模 ±2kV的要求，如表1，給出了一組推薦的器件參數(shù)，參數(shù)值僅做參考，用戶需根據(jù)實(shí)際情況來確定適當(dāng)?shù)闹怠?/p>

圖13 總線常用接口保護(hù)電路

表1

如何有效避免鐮刀波形再發(fā)生

1. 避免在總線上直接接入電容，若一定要接入，則必須考慮好通訊波特率的限制，以及組網(wǎng)后電容總和是否會影響通訊。

2. 避免因增加保護(hù)電路器件間接引入過大電容。在應(yīng)用環(huán)境良好情況下，可少接或不接保護(hù)器件；環(huán)境惡劣則必須接保護(hù)器件，但應(yīng)當(dāng)選用寄生電容小的器件和電路方案；同一總線不一定每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要接保護(hù)器件，應(yīng)當(dāng)根據(jù)環(huán)境惡劣情況、節(jié)點(diǎn)總數(shù)、波特率等因素選擇。

3. 避免選用劣質(zhì)的通訊線，應(yīng)當(dāng)選用寄生電容小、內(nèi)阻低的屏蔽雙絞線。