CAN總線以其高可靠性、即時性、靈活性以及嚴謹的數據處理機制等特點,在工業現場和汽車行業得到廣泛應用,但隨著環境干擾以及節點數目的增加等對CAN總線的穩定性提出更高的要求,而面對電源地、訊號地、屏蔽地、外殼地不同的接地方式又該如何處理呢?
如圖1分別是電源地、訊號地、屏蔽地、大地四種不同地的常見符號。
圖1 四種接地符號
電源接地(GND)
1. 電源地概念
電源接地也稱為供電地,是為確保供電電源形成完整的電流迴路設定的供電地,即GND。
2. 電源地處理
與單電源供電的負極相連。
圖2 CAN收發器電源接地(GND)接線
信號地(CAN-GND)
1. 信號地概念
訊號地也稱為隔離地,為使電子設備工作時有一個統一的參考電位,避免有害電磁場的干擾,使設備穩定可靠的工作,設備中的信號電路統一參考地,即CAN-GND。
2.信號地處理
在許多實際應用中,設計者常直接將每個節點的參考地接於本地的大地,作為信號的返回地,看似正常可靠的做法,卻存在極大的隱患。
訊號接地(CAN-GND)正確的接法主要分為兩種:
單屏蔽層線纜:如果線纜是單屏蔽層,訊號地理想接法是使用專門的訊號線將所有節點訊號地連接,起到參考地的作用。
圖3 有屏蔽層雙絞線
圖4 含訊號地線雙絞線連接方式
圖5 訊號地與屏蔽層連接方式
雙屏蔽層線纜:當使用雙層屏蔽電纜時,需要將所有節點訊號連接到內屏蔽層,若使用非屏蔽線進行資料傳輸時,請保持訊號地腳懸空處理。
圖6 雙屏蔽層訊號處理方式所有節點訊號地接到屏蔽層或雙屏蔽層的內層後,屏蔽層處理方式註意為單點接地,不可多點接地,否則會在訊號接地線上形成地環流。
另外,單點接地時為了加大供電地和訊號地之間的隔離電阻,阻止共地阻抗電路耦合產生的電磁干擾,注意採用隔離浮地設計,透過阻容方式將屏蔽層與外殼隔離。
圖7 未進行單點接地處理的封包受到電磁干擾
屏蔽地(CAN-Shield)
1. 屏蔽地概念
屏蔽地(CAN-Shield)也可理解為CAN屏蔽層,部分場合也標示為FG。導體外部有導體包裹的導線叫屏蔽線,包裹的導體叫屏蔽層,一般為編織銅網或銅泊(鋁),屏蔽層需要接地處理,保證外來的干擾信號可被該層導入大地。
圖8 單屏蔽層和雙屏蔽層電纜剖析
2. 屏蔽地處理
當使用雙層屏蔽電纜時,CAN-Shield連接到外屏蔽層和DB9連接器的屏蔽殼。並且,使用DB9針式連接器時外屏蔽層會被連接到pin 5以確保使用沒有屏蔽連接的連接器時,可靠的接地。
多節點匯流排同樣要求屏蔽地採用單點接地,防止形成迴路,並且為浮地設計。
如下圖9所示處理方式,CTM1051模組3腳為屏蔽地,5腳為訊號地。
圖9 雙屏蔽層線中訊號地、屏蔽地處理方式
外殼地
1. 外殼地概念
靜電的電荷集聚在物體的表面,一旦遇到可以釋放的迴路就可以形成電流。有時候產生的電壓非常高,特別是在乾燥的環境。電子產品的外殼地就是用來快速地將電荷釋放到大地。
2. 外殼地處理
外殼接地既是對人體安全的保護,也是防干擾的一種手段,因為一般情況下機殼是金屬的,是非常好的屏蔽體,絕大部分輻射干擾都可以阻擋在機殼之外。透過接地線引入的干擾(也稱為共阻抗幹擾),處理方法一般採用地線隔離技術,在外殼接地時接取阻抗,加入濾波等。
圖10 訊號地、屏蔽地、外殼接地連接推薦電路
3. 改進方案建議
如果您在使用CAN總線進行偵錯時,遇到偶爾通訊出錯,或接收不到數據,再者一直正常使用的總線,突然出現大範圍的錯誤,或節點損壞。
如果您還是在使用單純的CAN收發器,那麼請換成隔離CAN收發器吧!ZLG致遠電子的CTM隔離模組內部包含隔離DC-DC、訊號隔離電路、CAN總線收發電路、基礎的匯流排防護等。隔離收發器可將匯流排和控制電路進行電氣隔離,將高壓阻擋在控制系統之外,可有效確保操作人員的人身及系統安全。不僅如此,隔離可以抑制由接地電位差、接地迴路引起的各種共模干擾,確保匯流排在嚴重干擾和其它系統級雜訊存在的情況下不間斷、無錯誤運作。
圖11 CAN隔離收發器建議設計電路