四步掌握CAN节点隔离设计

　　现场总线是近 20年发展起来的新技术 , CAN 总线是一种应用广泛的现场总线 ,在工业测控和工业自动化等领域有很大的应用前景。CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发了的，并最终成为国际标准(ISO11898)。是国际上应用最广泛的现场总线之一。 在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

　　各位工程师在工业通讯现场最担心遇到什么?通信干扰!CAN隔离模块能够有效解决CAN总线通信干扰问题，且较分立器件方案使用更简便。本文为大家总结CAN隔离模块在使用中需要注意的细节，帮助大家搭建更可靠的CAN总线网络。

　　“隔离”是模块为CAN节点设备提供可靠数据传输的首要保障，通常隔离模块的“隔离”是指模块上电后，能为节点提供信号隔离及电源隔离，隔离电压等级以2500VDC、3500VDC为主。本文将从CAN隔离模块的前级电源保护、后级接地、总线保护电路以及实际组网四个层面出发，全方面的介绍模块的使用细节，帮助大家搭建稳定、可靠的CAN总线网络。

　　1.前级电源保护

　　模块的初级接口是面对控制信号部分，供电电源通常与CAN控制器或MCU保持一致，这种情况下电源端口建议增加10μF滤波电容。有些应用是模块的电源和总线一起传输过来，比如20个节点中每个节点的电源和CAN信号线一起布线，节点共用一个电源，或模块没有单独的稳压供电电源，这种情况必须为模块电源增加TVS保护及滤波电容，并且确保电源与信号共地，如下图1所示。

　　图1 电源保护

　　2.后级接地

　　一般在短距离，干扰小的场合，可将CAN收发器的CANG悬空处理。但在实际现场应用中CAN总线组网绝大多数采用屏蔽双绞线，此时需要对屏蔽层接地。若接地节点为金属机壳，且该节点的初级系统已经接地，这种情况下CAN端口的屏蔽层应该通过一个1000pF电容接地，电容耐压值大于模块隔离耐压。电路示意如图2所示。

　　图2 CAN端口接地示意图

　　3.总线保护电路

　　模块CAN接口面对总线，需要更高的浪涌及静电防护等级。CTM系列模块CAN接口裸机可承受±4kV静电及共模±2kV浪涌。若需要更高的等级可以增加浪涌防护电路。常用的有以下两种保护电路，图3、图4中的TVS管等效结电容约为500~1000pF。

　　图3 桥式保护电路

　　图4 普通保护电路

　　图3为桥式电路，特点是等效节点电容小，测量各线之间电容小于20pF，该电路适用于CAN总线节点数较多，通信速率较高的场合。

　　图4所示的普通电路等效节点电容则更大，测量各线之间电容为800pF左右，该电路适用于低速通信场合。

　　共模电感：对总线共模干扰大，设备EMI要求高的场合，尤其是汽车行业的应用总线采用51μH的共模电感可有效解决问题。加入共模电感带来的问题便是引入谐振干扰。当收发器的总线信号上升下降时间较短时，共模电感与总线分布电容产生谐振，影响通讯，比如在CAN FD应用场合，这种谐振会影响总线的正常通讯。图5为CTM5MFD模块采用ID段1Mbps，数据段2Mbps速率通讯，加入保护电路的波形，其中绿色为加入共模电感的波形，粉红色为无共模电感的波形。

　　图5 浪涌电路加入电感波形对比

　　除了总线分布参数带来的影响外，模块本身的CAN差分信号也会影响谐振电压幅值。CAN收发器满足以下两个条件，可有助于降低谐振电压幅值。

　　1)CANH、CANL信号要同步，且对称性好;

　　2)CANH、CANL构成的差分电压信号上升、下降斜率小;

　　4.实际组网

　　通用CAN隔离模块多数有显性超时保护，模块的最低波特率被限制为40kbps，模块组网时最大通信距离应为1公里。当总线通信最大波特率确定后，组网的总线长度及分支长度应不超过表1限制。

　　表1 不同波特率下的网络长度

　　普通应用组网可参考CTM系列隔离收发器数据手册中已经给出的推荐组网方式，即采用单层屏蔽双绞线。下面给出采用双层屏蔽双绞线的参考组网方式。这种方式为三线传输方式，传输效果及抗干扰性最好。组网时双绞线外屏蔽层单点接大地，内屏蔽层及双绞线连接每个收发器的CANG 、CANH、CANL，每个CAN节点的CANG通过1000pF电容接设备机壳。