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1、CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术CAN数据总线系统EMC的评价方法CAN(Controller Area Network)即控制器局域网络，属多路 传输系统的一种，是德国Bosch公司20世纪80年代为汽车中应 用越来越多的控制器而提出的一种网络概念，因其良好的性能价 格比和可靠性，近年来得到广泛应用。CAN几乎成了汽车设计领 域一种必须采用的技术手段。为保证整个网络系统安全、可靠运 行，CAN数据总线系统必须具备良好的电磁兼容性(EMC)。实践 证明，CAN数据总线系统的EMC很大程度上取决于CAN网络节点 和线束的接口一一集成收发器的性能。因此，评价CAN数据总线 系统EMC
2、的重点应集中于集成收发器。1 CAN数据总线系统EMC的分析CAN数据总线系统作为汽车的子系统，其电磁兼容性可以通 过测试整车EMC间接地确定。标准ISO 11451和标准CISPR 25 分别给出了整车抗扰性和辐射的测试方法。然而，整车测试不但 费用昂贵，而且只能在开发的后期进行，如果因为某个元件或者 集成电路导致测试失败，将造成巨大损失。为避免损失，可通过测试元件或集成电路的EMC，预先评价 CAN总线的EMC，这样不但能提前发现问题，而且非常经济SAE 和ISO/IEC已经制定了几种元件级的测试方法，为元件级EMC测 试提供了通用的框架。为了具体评价CAN数据总线系统的EMC, 需要首先
3、分析其电磁兼容环境。如图1所示，CAN数据总线系统由一系列的网络节点通过总 线相互连接组成。总线可看作是接收和发射电磁能量的天线，充 当能量耦合的环节，网络节点既是干扰源又是被扰对象。由此可 知，影响CAN数据总线系统EMC的两个要素是线束的EMC耦合和 网络节点的EMC。其中线束的EMC耦合因数与CAN数据总线系统 EMC评价标准的制定有关，网络节点的EMC则是整个CAN数据总 线系统EMC的直接度量标准。另外由网络结构可知，收发器是网系统EMC的关键，通过测试收发器的EMC可以有效地预评价CAN 数据总线系统的EMC。2评价CAN数据总线系统EMC的基本标准由于被测装置将在汽车上使用，所以
4、测试方法应从现在的汽 车EMC测试国际标准ISO 11451、CISPR25、ISO 11452中挑选。 这些标准对应不同的测试装置和耦合方法，提供了一系列的测试 方法。选择EMC测试方法的依据是在有限设备的支持下，测试中 以反复地进行。为此，需要在被测电路和测试仪器之间提供一种 已知的、易复现的耦合方式。对于评价收发器类型的集成电路， 采用被测装置和测试仪器之间直接耦合的方法即可达到上述要 求。国际标准ISO 11452-7提供了直接耦合的测试方法，可用 于元件级抗扰性的测试。2.1抗扰性测试图2为标准ISO 11452-7提供的测试连接图。图2中外围可少的工作，连接线路配有滤清器，称为宽带
5、模拟网（BAN），它 可以防止射频能量向外围设备的辐射。根据经验，滤波器在被测 装置一边必须呈高阻态（输出阻抗应为几百Q）。对于抗扰性评 价，测试仪器既是发射能量的干扰源，又是测量抗扰性电平的测 试仪器，此时射频能量通过射频耦合网络注入被测装置。ISO 11452 7规定被测装置和BAN之间的最大距离为75 mm，#CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术 为了在宽频率范围内提供确定的耦合，一般建议被测装置和BAN 之间的距离越小越好。同时为方便测试能反复进行，最好采用 PCB（Printed Circuit Board，即印刷电路板）作为测试装置。ISO 11452-7还规定射频耦合网
6、络由隔直电容器和10 dB的衰减器 串联组成，电容器的作用是抑制直流分量，衰减器减小阻抗失配 以保护功率放大器。2.2辐射测试IEC 61967提供了多种集成电路级电磁辐射测试方法。与抗 扰性测试相似，优先采用被测装置和测试仪器之间直接耦合的测 试方法。IEC 61967-4对采用直接耦合测试辐射的方法有详细 论述，其连接图与图2所示抗扰性测试连接图完本相同。与抗扰 性测试类似，IEC 61967-4规定耦合网络由一个隔直电容器和 一个电阻串联组成，工作在信号线的负载状态，对于串行口（收 发器总线引脚）来说该负载的值很小，不会影响收发器的正常工 作。综上所述，采用图2所示的测试连接图作为后面进
7、行CAN数 据总线系统EMC评价的基础。下面介绍适用于不同网络（包括单 线CAN、容错CAN和高速CAN）EMC评价的测试装置。3 CAN数据总线系统EMC的测试装置3.1单线CAN的测试装置单线CAN通过单根总线连接，一般应用于低速场合，典型传 输速率33 kb/s，最多可连接32个节点。图3所示的测试PCB#CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术5790上安装了两个单线CAN收发器AU 5790,电源线BAN2（包含电源测试接收装置或频谱分析仪射频信号发生器功率/电压表射频耦台网络I图3单线CAN总线测试装置原理图滤波电感器）滤波器F1和F2给收发器提供工作电压。收发器1接 收经B
8、AN1（包含1 kQ的串联电阻）输入的CAN信息，并经CAN- H发送到收发器2,收发器2再将信息经BAN1从测试板输出。测 试仪器通过射频耦合网络与CAN-H连接。在抗扰性测试中，射频信号发生器或功率放大装置与耦合节 点相连，在这个节点上测量抗扰电平。而在辐射测试中，测试接 收装置或频谱分析仪代替射频信号发生装置连接到耦合节点上。 3.2耦合网络和电阻分压器是进行精确测量的关键CAN-H的直流负载为R2和R6，电阻约为1kQ，射频耦合网 络中的R1、C1和七构成CAN-H的交流负载，这些元件值的选取 应接近典型总线负载的值。其中R2和R6还构成电阻分压器，得 到辅助的射频输出端(RF-OUT
9、)。R6的选取应使RF-OUT点的输 出阻抗为50 Q，它与输入阻抗50 Q的测试仪器连接，衰减约 为32 dB。设置辅助输出端的目的：测量从耦合节点到CAN-H 线的传递函数；测量时域范围内CAN-H的电压。3.2.1抗扰性评价对射频耦合网络的要求耦合网络组成的要素是R1和C1, R1的选取应使CAN-H到搭 铁的耦合阻抗与IEC 61967-4规定的阻抗150X(10.2)Q相 匹配，同时C1的选取应使耦合网络的等效阻抗接近于单线CAN 网络的典型负载。C1还决定了射频耦合网络在低频范围内的转折 频率f：f=1/2n (RS+R1)C1=1/2Xn X145X4.7X 10-9225 kH
10、z(1)该频率比ISO 11452-7中规定的最低测试频率250 kHz要 低。高频范围内的转折频率由测试PCB决定，主要应避免谐振的 发生。为确定高频转折频率，需要先测量或计算耦合网络的传递 函数，Philips半导体实验室利用图4所示的电路进行了耦合网 络传递函数的测量和计算，图4中Cpcb为CAN-H到搭铁的寄生电 容，经测量其值为7.5 pF，测量和计算的结果如图5所示。将 传递函数的计算结果与测量结果相比较，可以发现两者非常吻CAN-H25 n射翎耦仓点1J.7.5 pF 丁Hl kQ上RF-OUT51 n计算耦合网络传递函数的等效电路合。并且由图5可知，至少在500 MHz以丙测试
11、电路不会受到 谐振的影响。.110100频聿/ MHz100图5耦合网络传递函数的测量和计算结果3.2.2电磁辐射评价对射频耦合网络的要求测量电磁辐射时，需要知道CAN-H到频谱分析仪的传递函 数。射频耦合网络和频谱分析仪的输入阻搞具有高通滤波的特 性，转折频率与公式（1）的结果相同，通常衰减约为15 dB,因 而把该值加到频谱分析仪的读数上，才能得到CAN-H线上电磁 辐射的直正值。3.3其他CAN系统的耦合网络3.3.1 高速 CAN高速CAN采用双线传输方式，在双线上传输差分信号，主要 应用于C类网等高速场合，最高传输速率可达1 Mb/s，至少可 连接110个节点。由于CAN-H和CAN
12、-L上传输的信号为差分信 号，因而对高速CAN，EMC的影响主要来自共模信号。图6所示 为高速CAN的测试装置，其中差分网络的标称负载是60 Q，为 了耦合共模信号，将其分成为相等的两份r7、r8, 一般两者之间 的误差不超过0.1%。同时为了避免电平偏差的转移，分压电路 R2、RR9和R10只有在测量传递函数时才被连接到电路中。射频耦合点 射频耦合网络射频信号发生器.R七1功率放大装置和1功率/电压我w工1 n1:iCANH圜试接收装置 或斯谱分析4义图6高速CAN测试装置原理图3.3.2 容错 CAN容错CAN数据总线系统也采用双线传输方式，一般应用于中 速场合，最高传输速率可达125 k
13、b/s，最多可连接15个节点。它的突出优点是一旦总线发生错误，能自动转换到单线传输模4,7nF由图7可知射频耦合网络连接到CAN总线的每一端，CAN-H经式，因而需要对第一条线进行测试。图7为容错CAN的测试装置，射频耦合点, 一!功率放大装置和功率/电压表120 Q UI20 (2图7容错CAN测试装置原理图R搭铁，CAN-L经R接电源电压，分压电路R、R和R、R提8726910供了辅助输出端。同样为方便对共模信号进行测量，元件CC3、R7、R8和分压电路必须成对相匹配，一般误差不超过0.1%。4 CAN数据总线系统EMC的评价标准 4.1电磁辐射的评价标准选定好测试装置之后，还需制定合适的
14、评价标准。对于电磁#CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术CAN-BUS汽车多路信息传输系统及其检修技术 辐射的评价，辐射限值可由被扰对象的抗扰限值结合干扰源和被 扰对象之间的耦合得出。众所周知，车载电台对其他车载设备和 系统辐射的干扰最为敏感，因此把车载电台作为被扰对象，CAN 数据总线系统的辐射在车载电台一端必须严格得低于车载电台 的抗扰限值。CISPR 25规定了车载电台天线输入端的抗扰限值， 在中波波段为0 dBp V，长波波段为5 dBp V。CAN数据总线系统耦合的传递函数则非常复杂，它受到耦合 路径的种类、频率范围和线束布局等因素的制约，不同的网络其 耦合函数也各不相同，
15、很难精确界定。不过现有CAN数据总线系 统应用的实践表明：由于总线信号的频谱和被扰对象的敏感区域 大都在低频范围（AM波段）内，在低频范围内需要特别注意控制 辐射。所以，耦合因数取AM波段的典型值70 dB，考虑到上文 指出测试装置的射频耦合网络衰减了 15 dB，测试装置的射频耦 合点和车载电台天线输入端之间的耦合因数则为55 dB。结合上 述两方面的因素，确定辐射的评价标准如表1所示。表1 CAN总线系统电磁辐射的评价标准dB “ V频率范围长波中波车载电台天线输入端的限值60总线上的辐射限值76 （=6+70）70频谱分析仪器输入端的限值61 （=6+70-15）554.2抗扰性的评价标准电磁场是产生对CAN数据总线系统总线干扰的根本原因，电 磁场场与由之产生的干扰信号之间的关系称为抗扰性的耦合因#发射拯限图8单线CAN射频辐射的频谱照 ISO 11452数。实践证明，总线上的干扰电平随频率变化而变化。在低频范 围内，抗扰耦合因数较低，干扰电平也较低。随着频率的上升由 于有效网络线长和波长之间的关系发生了变化，该因数相应增 加。在较高的频率范围，抗扰耦合因数小于或等于网络线
