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1、1国内统一刊号 CN31-1424 TB2009/1 总第209期学术论文Academic Papers汽车零部件电磁兼容测试中高速CAN总线负载阻抗匹配方法的介绍马欣熊炜付洪英 /上海市计量测试技术研究院文章介绍当前汽车工业被广泛采用的高速CAN总线技术在电磁兼容测试中的负载阻抗配置的解决方案，并特别结合汽车企业标准DC11225，介绍了在电磁兼容试验中使用光电隔离器接入高速CAN总线时，对光电隔离器的内阻设置要求，为电磁兼容测试中测试设置提供参考。关键词负载；阻抗匹配；高速控制器局域网总线；电磁兼容；光电隔离1CAN总线应用简介随着汽车工业的发展，人们对汽车的操控、安全和娱乐等性能要求的日
2、益提高，促使了更多的新技术被应用到了汽车生产之中。现在的汽车已经不局限于一辆能够载人行使的交通工具，而是一个具有操控、安全、导航、娱乐等电子控制单元的整体，而且这些系统还必须能够相互通信。CAN 总线的使用，使这些系统有机地结合起来。如图 1 所示，汽车上的各个部件通过中央控制模块 ECU 的控制，执行着各种指令，并反馈各种信号，这样使得整部汽车变成了一个智能的电子控制系统。CAN-bus（Controller Area Network）即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。起先，CAN-bus 被设计作为汽车环境中的微控制器之间通讯，在车载各电子控制装置 ECU 之间交换信息，形
3、成汽车电子控制网络。它是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有较高的位速率，高抗干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。信号传输距离达到10km时，仍然可提供高达 5kbps 的数据传输速率。由于 CAN 串行通讯总线具有这些特性，它很自然的在汽车、制造业以及航空工业中受到广泛应用。CAN 总线的使用，为汽车各个部件的控制、测试和诊断提供了便利，工程师无需在被测零部件上连接大量的真实负载，只需用计算机程序通过 CAN 总线模拟，就可以模拟出多种输入输出信号，从而对被测物进行控制和检测。但汽车零部件电磁兼容测试环境与整车测试环境不相同，体现在 CAN 总线链路中就是负载阻抗上存在区别。因此
4、如何在测试中模拟被测物的实际 CAN 总线工作环境，特别是如何设置 CAN 总线上的模拟匹配负载，成为测试系统搭建的一个难题。本文将针对 CAN 总线中使用最广泛的高速总线 CAN-Bus C 在汽车零部件电磁兼容测试中负载匹配设置方法图1车载局域网示意图1 国内统一刊号 CN31-1424 TB 2009/1 总第209期学术论文Academic Papers作具体的介绍。2高速CAN总线的负载匹配原理及实现2.1CAN-C总线的工作原理要了解 CAN-C 总线电路负载的正确配置，首先要弄清楚 CAN-C 总线的工作原理。CAN-C 是传输速率为 1Mbit/s 的总线，采用双线的通信方式，
5、在 CAN-H和 CAN-L 两线之间传输 500kHz,5Vpp 的方波信号。其中方波的高电平约为 5V，地电平约为 0V。在 CAN-H和 CAN-L 的两个终端，各有一个 120 的电阻。所有的CAN总线电缆使用双绞线，绞线方式为33-50绞/米。而每个受 CAN 控制的模块都挂接在这两个电阻当中，这样就组成了一个车载局域网络。CAN-C 总线的控制数据包，就是在图 2 所示的网络中，从一个主控节点按照一定的传输速率，通过数个非主控节点，传送到另一个主控节点。在这个过程中，由于每个非主控节点都存在的一定的电阻和电容，这样信号通过每个非主控节点时都存在一定的延时，这就需要在控制命令中写入与
6、之匹配的延迟时间，保证数据包的正常传输。 2.2CAN-C总线负载匹配的重要性由于在汽车零部件的电磁兼容测试中，通常被测样品都是孤立于整车环境，而通过装有 CAN 总线模拟软件的计算机进行控制和仿真的。因此被测样品的CAN 通信环路在电路结构中缺少整车环境的其它车载零部件，产生数据包的传输周期与基于整车环境编写的控制程序的延时的不匹配，导致系统的抗干扰能力和稳定性下降。为了解决这个问题，必须在 CAN 总线环路上添加用于模拟整车环境的匹配负载，满足既定的延时要求，保证通信系统的稳定性，从而保证测试结果的准确。2.3CAN-C的节点以及特征阻抗要添加符合要求的负载模块，首先必须研究 CAN-C总
7、线网络上每个控制模块的特征阻抗。在 CAN-C 网络中的每个车载控制模块，一般称为节点 (node)。其中，在两端的节点称为主控节点 (dominate node)。其他连接在主控节点中间的模块被称为非主控节点 (non-dominate node)。CAN-C 的各个节点的连接如图 3 所示。主控和非主控节点的阻抗配置分别如表 1 所示。一般来说，对于主控节点跨接在其 CAN-H 和 CAN-L图中R1=120（典型值）R2=3.0k （典型值）C1=47pF(最大值);22pF（典型值） C2=47pF(最大值); 22pF（典型值）图 3CAN-C 节点示意图两线间的电阻为 120 ，而
8、非主控节点为 3.0k 。因此，对于主控和非主控节点，从节点向外看的等效电阻存在着区别。从一个主控节点向外看，等效输入电阻主要是另一个主控节点造成，接近于 R1=120 ; 从非主控节点向外看，等效输入电阻主要是两个主控节点造成，接近于 R1=60 。对于每个模块 CAN-H 和 CAN-L 的对地电容，标准规定不能超过 47pF。而一辆轿车上的节点数通常不超过 10 个。对于单个节点来说，外部的等效电容为其他所有节点对地电容的并联叠加，故从单个节点向外看的等效电容可取典型值比最大值小一档的标准电容值，即 22pF，再乘以 10，得到等效电容为220pF。表1CAN-C总线终端阻抗配置Type
9、 of DUT Internal Resistor Internal CapacitorDominant node R1=120 C1=47pF(maximum allowed)Non-dominant node R2=3.0 C2=47pF(maximum allowed)根据上述的阻抗匹配要求，可以把零部件级别的测试系统等效于下图 4。写有 CAN BUS-C 的模块代图 2车载局域网结构示意图1国内统一刊号 CN31-1424 TB2009/1 总第209期学术论文Academic Papers图 4CAN-C 测试典型布置表的是被测零部件，External Termination 的代
10、表的就是外置终端匹配网络。CAN Probe 和 CAN Card 以及Computer with CAN Application 代表的是用于控制的计算机和连接器。External Termination 中的电阻 R 和电容C 根据被测样品的不同，具体设置如表 2 所示。表2CAN-C总线外置终端网络阻抗配置被测样品类别 电阻R 电容C被测样品为主控节点 R=120 ohms C=220 pF被测样品为非主控节点 R=60 ohms C=220 pF3CAN-C总线与光电隔离器的负载匹配3.1光电隔离方法汽车零部件的 EMC 测试主要分为发射（Emission）和抗干扰 (Immunity
11、) 两个方面。发射测试是指被测物对外通过辐射和传到途径的电磁发射进行测量。发射测试需要排除被测物以外的电磁发射，保证测试的背景噪声远低于标准规定的限值。抗干扰测试是对被测物施加一定的电磁干扰并对其功能状态进行监控，考察被测物的抗干扰能力。抗扰度测试需要对被测物以外的设备进行隔离，保证不被干扰信号影响。由于大多数的汽车零部件电磁兼容试验都要求在屏蔽室或电波暗室中进行，当带有 CAN 总线被测样品的零部件放置在测试场地中测试时，辅助设备的控制电脑和 CAN 连接器、CAN 卡等设备必须放置在被测场地以外，以排除这些设备的对测试造成的影响。但测试场地内外的距离通常有 10 到 30 米，使用长距离的
12、双绞线连接被测样品和控制电脑，并不是一个非常好的方法。一方面，过长的双绞线会导致 CAN 信号的衰减，影响通信质量。另一方面，过长的双绞线将形成天线效应，成为一个电磁波的耦合路径发射和接收干扰场强，影响测试的准确性。因此，在使用 CAN 总线的EMC 测试中需要有一种设备，把测试区域内外的设备进行隔离，提供可靠的射频边界（RF Boundary）。在隔离设备中，最为理想并被广泛采用的是光电隔离器。光电隔离器有着以下优点： 抗干扰能力强：光电隔离器采用全金属外壳屏蔽，可以抵抗 200V/m 以上的电磁波干扰。 传输距离长：光纤的有效传输距离超过 50 米。 不影响电路结构：不需要在电路中施加额外
13、的滤波器件，只让信号通过一个简单的两端口网络。 隔离度高：用于连接测试场地内外的光纤对电磁波完全免疫。图 5 是使用 CAN 总线光电隔离器的 EMC 测试典型布置。测试场地中被测物与光电隔离器连接，光纤线缆连接到测试场地外的另一个光电隔离器。场地外的隔离器把光信号转换成电信号，再通过 CAN 模拟器连接到控制计算机上，这样大大降低 CAN 总线模拟器和控制计算机对测试的影响，保证了测试的独立性和准确性。3.2光电隔离器的内阻设置使用光电隔离器时，通信链路上引入了新的环节，因此阻抗匹配必须重新考虑，需要对光电隔离器的内阻进行设置。由于测试主要模拟的是 CAN-C 总线主控或非主控节点与另一个主
14、控节点之间的通信，因此可以按照图 6 中的连接方式，把被测物视为节点 A（主控或非主控），CAN 模拟器和控制计算机视为节点 B（主控）, 并对它们的阻抗配置进行分析。被测物为主控节点当被测物为主控节点时，根据 2.2 中的分析可知，外部的等效输入阻抗应为 R=120，C=220pF。故靠近被测物端的光电隔离器的内阻应为 R=120，另外CAN-H 和 CAN-L 必须分别跨接 220pF 的对地电容。而对于节点 B，作为另一个主控节点，其外部的等效输入电阻约为 R=120，故靠近计算机端的光电隔离器的内阻也应设为 R=120。被测物为非主控节点当被测物为非主控节点时，对于节点根据 2.2中的
15、分析可知，外部的等效输入阻抗应为 R=60，C=220pF。故靠近被测物端的光电隔离器的内阻应为R=60，另外 CAN-H 和 CAN-L 必须分别跨接 220pF的对地电容。而对于节点 B，作为一个主控节点，其外部的等效输入电阻约为 R=120，故靠近计算机端1 国内统一刊号 CN31-1424 TB 2009/1 总第209期学术论文Academic Papers图 5使用光电隔离的 CAN-C 测试图 6被测物与辅助系统连接的光电隔离器的内阻应设为 R=120。只有当被测物、光电隔离器、CAN 模拟器以及控制计算机都被正确配置后，CAN 信号的稳定性和正确性才能得到保证，EMC 测试才能
16、准确顺利地进行。3.3不同的CAN总线光电隔离器的内阻设置1）Optocan2000Optocan2000 是 德 国 SonTec 公 司 生 产 的 CAN 总线专用光电隔离器。Optocan 系列产品能够满足 CAN-Bus C、CAN-Bus HIS、CAN-Bus B 以及 LIN-Bus 的光电隔离设置要求，其中支持 CAN-C 的 Optocan 设备内置有 220pF 对地电容以及 60/120/ 三种内阻选择，可以很好满足主控节点和非主控节点的不同测试要求。Optocan2000 更被写入了克莱斯勒 EMC 测试标准 DC11225, 成为推荐使用的标准测试设备。2）CAN-C 阻抗匹配转接器的制作大部分的 CAN 光电隔离器只具备隔离功能，而不具备Optocan2000那样的多种阻抗选择。在这种情况下，可以设计制造一个转接器，使之具备该功能。下文对一款只具有 120/ 两种阻抗选择的匹配进行设计。对于靠近被测
