為何總線“鐮刀”波形頻頻發(fā)生?

無論是CAN總線還是485總線，實際應用中經常會出現(xiàn)各種異常，常因總線組網后，波形邊沿出現(xiàn)過緩、呈“鐮刀”狀的現(xiàn)象，導致數據丟失或出錯，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)機器人客戶反饋，使用SM1500的機器人控制板卡，在傳輸數據過程中出現(xiàn)丟幀的情況，如下圖1，客戶現(xiàn)場模擬的組網方式為31個節(jié)點的手拉手拓撲，通訊波特率為250kbps。

圖1?現(xiàn)場組網環(huán)境

若總線收發(fā)器在使用過程中出現(xiàn)異常，一般會先從總線波形著手去分析原因。如圖2，為客戶組網的簡要框圖，我司使用CAN分析儀抓取了第31個節(jié)點處總線波形，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。

圖2?控制板卡組網簡要框圖

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，根據電容的充放電時間公式可知t=RC，其中R可看成總線接口內阻與終端電阻，C則是總線上的等效電容。

如圖4，總線等效電容Cj包括總線引腳對地電容Cj1與總線之間的電容Cj2，當總線電平由高變低時（壓差變化），由于電容上的電壓不能突變，那么電容Cj會分別通過內阻R內和終端電阻R終端放電。收發(fā)器內阻和終端電阻一般固定，當電容過大時，則放電時間變長，從而導致了總線波形邊沿變緩。

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個節(jié)點組網最多也不過上百皮法，配合終端電阻使用一般不會出現(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、氣體放電管等保護器件，如下圖5。TVS管本身存在較大的結電容，一般在幾百到上千皮法，當總線組網后結電容會累計增加，高速通訊的時候總線就有可能出現(xiàn)“鐮刀”狀波形。

圖5?控制板卡CAN接口保護電路

將總線接口保護電路的TVS3和TVS4去掉后組網，并測試第31個節(jié)點處波形發(fā)現(xiàn)仍呈“鐮刀”狀，但波形邊沿遲緩程度減小，如圖6，同時也沒有再出現(xiàn)丟幀情況。最后再去掉TVS2后測試，“鐮刀”狀波形消失，如圖7。對比去掉TVS管前后波形，邊沿時間由1.3us減小至160ns，如圖8。

圖6?去掉部分TVS管后總線波形

圖7?去掉全部TVS管后總線波形

圖8?去掉TVS管前后波形邊沿時間對比

SM系列全隔離CAN收發(fā)芯片

案例二

1. 485總線異?，F(xiàn)象

我司某燈光設備客戶反饋，使用SM4500的燈光具設備以手拉手方式組網后，在進行程序燒寫時，出現(xiàn)了部分設備無法燒錄程序的情況，組網簡要框圖如圖9所示。

圖9?燈具設備組網簡要框圖

通訊波特率為250kbps，如圖10為10臺燈具設備組網后總線波形，從波形看，和案例一相似，也呈“鐮刀”狀。

圖10?485總線“鐮刀”波形

2.?485總線接口電路原理與異常分析

設備接口原理如圖11，客戶在A、B線外加了1nF的電容C3、C4，當多個設備組網后，總線上電容必然會隨著節(jié)點數的增多而增大，不僅起不到消除干擾作用，反而導致了波形失真。

圖11?燈具設備485接口保護電路

為了確認是否是總線外接電容的影響，我司用13臺去掉了電容的設備組網，并測試第13節(jié)點處波形，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反射導致，給第13臺設備端接入120Ω終端電阻后，尖峰消失，如圖12右圖。

圖12?接入終端電阻前后波形對比

SM系列全隔離RS-485收發(fā)芯片

應用推薦

經過上述案例分析，可以知道，不管是CAN總線還是485總線，對電容都是非常敏感的，尤其是在高速通訊的時候。SM1500和SM4500本身就具有良好的EMC防護能力，裸機狀態(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。

實際應用中，適當的保護還是需要的，當需要增加防護器件時，需特別關注寄生電容的影響，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，同時浪涌防護能力可達到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，參數值僅做參考，用戶需根據實際情況來確定適當的值。

圖13?總線常用接口保護電路

表1

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，以及組網后電容總和是否會影響通訊。

2.避免因增加保護電路器件間接引入過大電容。在應用環(huán)境良好情況下，可少接或不接保護器件；環(huán)境惡劣則必須接保護器件，但應當選用寄生電容小的器件和電路方案；同一總線不一定每個節(jié)點都需要接保護器件，應當根據環(huán)境惡劣情況、節(jié)點總數、波特率等因素選擇。

3.避免選用劣質的通訊線，應當選用寄生電容小、內阻低的屏蔽雙絞線。