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為何總線“鐮刀”波形頻頻發(fā)生?

發(fā)布時(shí)間:2023-03-10 來源:ZLG 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】無論是CAN總線還是485總線,實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)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(cuò),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總線異常現(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(chǎng)模擬的組網(wǎng)方式為31個(gè)節(jié)點(diǎn)的手拉手拓?fù)?,通訊波特率?50kbps。


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圖1 現(xiàn)場(chǎng)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(huì)先從總線波形著手去分析原因。如圖2,為客戶組網(wǎng)的簡(jiǎn)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。


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圖2 控制板卡組網(wǎng)簡(jiǎn)要框圖


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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(duì)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(huì)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(zhǎng),從而導(dǎo)致了總線波形邊沿變緩。


1676885768350597.png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(huì)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(huì)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。


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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(cè)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(cè)試,“鐮刀”狀波形消失,如圖7。對(duì)比去掉TVS管前后波形,邊沿時(shí)間由1.3us減小至160ns,如圖8。


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圖6 去掉部分TVS管后總線波形


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圖7 去掉全部TVS管后總線波形


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圖8 去掉TVS管前后波形邊沿時(shí)間對(duì)比


案例二


1. 485總線異?,F(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(jiǎn)要框圖如圖9所示。


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圖9 燈具設(shè)備組網(wǎng)簡(jiǎn)要框圖


通訊波特率為250kbps,如圖10為10臺(tái)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。


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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(huì)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。


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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(tái)去掉了電容的設(shè)備組網(wǎng),并測(cè)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(hào)反射導(dǎo)致,給第13臺(tái)設(shè)備端接入120Ω終端電阻后,尖峰消失,如圖12右圖。


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圖12 接入終端電阻前后波形對(duì)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(duì)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>


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圖13 總線常用接口保護(hù)電路


表1

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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(huì)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。



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