中心議題：
- 介紹評價CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的基本標(biāo)準(zhǔn)及其測試裝置
- 分析CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的評價標(biāo)準(zhǔn)和方法并得出相關(guān)結(jié)論
解決方案：
- 在評價CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC時，將重點(diǎn)應(yīng)集中于集成收發(fā)器
- 通過測試元件或集成電路的EMC，預(yù)先評價CAN總線的EMC
- 耦合網(wǎng)絡(luò)和電阻分壓器是實現(xiàn)精確測量的關(guān)鍵因素
- 選定測試裝置后，需制定合適的評價標(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Bosch公司20世紀(jì)80年代為汽車中應(yīng)用越來越多的控制器而提出的一種網(wǎng)絡(luò)概念，因其良好的性能價格比和可靠性，近年來得到廣泛應(yīng)用。CAN幾乎成了汽車設(shè)計領(lǐng)域一種必須采用的技術(shù)手段。為保證整個網(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，評價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)作為汽車的子系統(tǒng)，其電磁兼容性可以通過測試整車EMC間接地確定。標(biāo)準(zhǔn)ISO 11451和標(biāo)準(zhǔn)CISPR 25分別給出了整車抗擾性和輻射的測試方法。然而，整車測試不但費(fèi)用昂貴，而且只能在開發(fā)的后期進(jìn)行，如果因為某個元件或者集成電路導(dǎo)致測試失敗，將造成巨大損失。
為避免損失，可通過測試元件或集成電路的EMC，預(yù)先評價CAN總線的EMC，這樣不但能提前發(fā)現(xiàn)問題，而且非常經(jīng)濟(jì)。SAE和ISO/IEC已經(jīng)制定了幾種元件級的測試方法，為元件級EMC測試提供了通用的框架。為了具體評價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象。由此可知，影響CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的兩個要素是線束的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評價標(biāo)準(zhǔn)的制定有關(guān)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的EMC則是整個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)是測試CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的關(guān)鍵，通過測試收發(fā)器的EMC可以有效地預(yù)評價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
評價CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的基本標(biāo)準(zhǔn)
由于被測裝置將在汽車上使用，所以測試方法應(yīng)從現(xiàn)在的汽車EMC測試國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11451、CISPR25、ISO 11452中挑選。這些標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)不同的測試裝置和耦合方法，提供了一系列的測試方法。選擇EMC測試方法的依據(jù)是在有限設(shè)備的支持下，測試中以反復(fù)地進(jìn)行。為此，需要在被測電路和測試儀器之間提供一種已知的、易復(fù)現(xiàn)的耦合方式。對于評價收發(fā)器類型的集成電路，采用被測裝置和測試儀器之間直接耦合的方法即可達(dá)到上述要求。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11452－7提供了直接耦合的測試方法，可用于元件級抗擾性的測試。
a.抗擾性測試
圖2為標(biāo)準(zhǔn)ISO 11452－7提供的測試連接圖。圖2中外圍設(shè)備(如電源和數(shù)字信號)連接到被測裝置，為被測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，濾波器在被測裝置一邊必須呈高阻態(tài)(輸出阻抗應(yīng)為幾百Ω)。對于抗擾性評價，測試儀器既是發(fā)射能量的干擾源，又是測量抗擾性電平的測試儀器，此時射頻能量通過射頻耦合網(wǎng)絡(luò)注入被測裝置。
圖2 ISO 11452-7的測試連接圖
ISO 11452－7規(guī)定被測裝置和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，一般建議被測裝置和BAN之間的距離越小越好。同時為方便測試能反復(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.輻射測試
IEC 61967提供了多種集成電路級電磁輻射測試方法。與抗擾性測試相似，優(yōu)先采用被測裝置和測試儀器之間直接耦合的測試方法。IEC 61967－4對采用直接耦合測試輻射的方法有詳細(xì)論述，其連接圖與圖2所示抗擾性測試連接圖完本相同。與抗擾性測試類似，IEC 61967－4規(guī)定耦合網(wǎng)絡(luò)由一個隔直電容器和一個電阻串聯(lián)組成，工作在信號線的負(fù)載狀態(tài)，對于串行口(收發(fā)器總線引腳)來說該負(fù)載的值很小，不會影響收發(fā)器的正常工作。
綜上所述，采用圖2所示的測試連接圖作為后面進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC評價的基礎(chǔ)。下面介紹適用于不同網(wǎng)絡(luò)(包括單線CAN、容錯CAN和高速CAN)EMC評價的測試裝置。
CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的測試裝置
a.單線CAN的測試裝置
單線CAN通過單根總線連接，一般應(yīng)用于低速場合，典型傳輸速率33 kb/s，最多可連接32個節(jié)點(diǎn)。圖3所示的測試PCB上安裝了兩個單線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從測試板輸出。測試儀器通過射頻耦合網(wǎng)絡(luò)與CAN－H連接。
在抗擾性測試中，射頻信號發(fā)生器或功率放大裝置與耦合節(jié)點(diǎn)相連，在這個節(jié)點(diǎn)上測量抗擾電平。而在輻射測試中，測試接收裝置或頻譜分析儀代替射頻信號發(fā)生裝置連接到耦合節(jié)點(diǎn)上。
圖3 單線CAN總線測試裝置原理圖
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的測試儀器連接，衰減約為32 dB。設(shè)置輔助輸出端的目的：①測量從耦合節(jié)點(diǎn)到CAN－H線的傳遞函數(shù)；②測量時域范圍內(nèi)CAN－H的電壓。
抗擾性評價對射頻耦合網(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)定的最低測試頻率250 kHz要低。
高頻范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)折頻率由測試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，需要先測量或計算耦合網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，Philips半導(dǎo)體實驗室利用圖4所示的電路進(jìn)行了耦合網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的測量和計算，圖4中CPCB為CAN－H到搭鐵的寄生電容，經(jīng)測量其值為7.5 pF，測量和計算的結(jié)果如圖5所示。將傳遞函數(shù)的計算結(jié)果與測量結(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)，測試電路不會受到諧振的影響。
圖4 計算耦合網(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)的測量和計算結(jié)果
電磁輻射評價對射頻耦合網(wǎng)絡(luò)的要求
測量電磁輻射時，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，主要應(yīng)用于C類網(wǎng)等高速場合，最高傳輸速率可達(dá)1 Mb/s，至少可連接110個節(jié)點(diǎn)。由于CAN－H和CAN－L上傳輸?shù)男盘枮椴罘中盘?，因而對高速CAN，EMC的影響主要來自共模信號。圖6所示為高速CAN的測試裝置，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，將其分成為相等的兩份R7、R8，一般兩者之間的誤差不超過0.1％。同時為了避免電平偏差的轉(zhuǎn)移，分壓電路R2、R6、R9和R10只有在測量傳遞函數(shù)時才被連接到電路中。
圖6 高速CAN測試裝置原理圖
容錯CAN
容錯CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)也采用雙線傳輸方式，一般應(yīng)用于中速場合，最高傳輸速率可達(dá)125 kb/s，最多可連接15個節(jié)點(diǎn)。它的突出優(yōu)點(diǎn)是一旦總線發(fā)生錯誤，能自動轉(zhuǎn)換到單線傳輸模式，因而需要對第一條線進(jìn)行測試。圖7為容錯CAN的測試裝置，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。同樣為方便對共模信號進(jìn)行測量，元件C1、C3、R7、R8和分壓電路必須成對相匹配，一般誤差不超過0.1％。
圖7 容錯CAN測試裝置原理圖
CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的評價標(biāo)準(zhǔn)
a.電磁輻射的評價標(biāo)準(zhǔn)
選定好測試裝置之后，還需制定合適的評價標(biāo)準(zhǔn)。對于電磁輻射的評價，輻射限值可由被擾對象的抗擾限值結(jié)合干擾源和被擾對象之間的耦合得出。眾所周知，車載電臺對其他車載設(shè)備和系統(tǒng)輻射的干擾最為敏感，因此把車載電臺作為被擾對象，CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)的輻射在車載電臺一端必須嚴(yán)格得低于車載電臺的抗擾限值。CISPR 25規(guī)定了車載電臺天線輸入端的抗擾限值，在中波波段為0 dBμV，長波波段為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。不過現(xiàn)有CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)應(yīng)用的實踐表明：由于總線信號的頻譜和被擾對象的敏感區(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，考慮到上文指出測試裝置的射頻耦合網(wǎng)絡(luò)衰減了15 dB，測試裝置的射頻耦合點(diǎn)和車載電臺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，確定輻射的評價標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。
表1 CAN總線系統(tǒng)電磁輻射的評價標(biāo)準(zhǔn) dBμV
頻率范圍 長波 中波
車載電臺天線輸入端的限值 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.抗擾性的評價標(biāo)準(zhǔn)
電磁場是產(chǎn)生對CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)總線干擾的根本原因，電磁場場與由之產(chǎn)生的干擾信號之間的關(guān)系稱為抗擾性的耦合因數(shù)。實踐證明，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)線長和波長之間的關(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)線長和波長達(dá)到最佳匹配時的值(一般在短波范圍內(nèi)達(dá)到最佳匹配)。
利用本文的測試裝置實際測量的結(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，抗擾限值隨頻率線性下降，如表2所示。
表2 CAN總線系統(tǒng)抗干擾性的評價標(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的評價方法
a.射頻輻射的測試和評價
有了測試裝置和評價標(biāo)準(zhǔn)之后，就可以進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的評價了。下面以單線CAN為例說明CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)EMC的評價方法。采用圖3所示的單線CAN測試裝置，按照ISO 11452－7的規(guī)定配置測試參數(shù)，將頻譜分析儀連接到射頻耦合點(diǎn)就可以測得收發(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.抗擾性的測試和評價
同樣采用圖3的測試裝置，按照IEC 61967－4的規(guī)定配置測試參數(shù)，將信號發(fā)生器通過功率放大器連接到射頻耦合點(diǎn)，使用電壓表或能量表對該點(diǎn)進(jìn)行測量。注入射頻能量的同時，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，檢測并記錄數(shù)據(jù)錯誤。在測試過程中逐步地改變測試頻率，在每個頻點(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)生傳輸錯誤。如果檢測到一個或更多的錯誤則該點(diǎn)就是集成電路的抗干擾的極限值。把該電平值和測試頻率一起記錄下來，如果記錄的射頻干擾電平低于評價標(biāo)準(zhǔn)，說明收發(fā)器集成電路的抗擾性能差，不適用于汽車的CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)。
結(jié)論
通過評價收發(fā)器IC的EMC，可以有效地對CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)評價。該EMC評價方法適用于單線CAN、高速CAN和容錯CAN系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
