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【解決方案】為何總線“鐮刀”波形頻頻發生?

ZLG致遠電子 ? 2023-02-23 14:55 ? 次閱讀

無論是CAN總線還是485總線,實際應用中經常會出現各種異常,常因總線組網后,波形邊沿出現過緩、呈“鐮刀”狀的現象,導致數據丟失或出錯,那么這現象前因后果大家是否真正的了解呢?

fb594832-b22f-11ed-ad0d-dac502259ad0.jpg ?案例一

1. CAN總線異常現象

我司某工業機器人客戶反饋,使用SM1500的機器人控制板卡,在傳輸數據過程中出現丟幀的情況,如下圖1,客戶現場模擬的組網方式為31個節點的手拉手拓撲,通訊波特率為250kbps。

圖1現場組網環境

若總線收發器在使用過程中出現異常,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個節點處總線波形,發現波形邊沿過緩,出現了“鐮刀”狀的現象,如下圖3。

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圖2控制板卡組網簡要框圖

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圖3CAN總線“鐮刀”波形

總線波形出現“鐮刀”狀的現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。

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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“鐮刀”狀波形。我司在檢查客戶CAN接口電路后發現存在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“鐮刀”狀波形。

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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個節點處波形發現仍呈“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。

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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管前后波形邊沿時間對比


fb594832-b22f-11ed-ad0d-dac502259ad0.jpg ?案例二

1. 485總線異常現象

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。

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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。

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圖10485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。

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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。

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圖12接入終端電阻前后波形對比

fb594832-b22f-11ed-ad0d-dac502259ad0.jpg ?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。

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圖13總線常用接口保護電路

表1

標號

型號

標號

型號

C2

102,2kV

TVS2

SMBJ15CA

R1

1MΩ,1206

GDT

3RL090M-5-S

R2

120Ω,1206

T1

HR600432,51uH

R3,R4

SMD1812P014TF

D1~D6

HFM107

CON1

短路器

U1

SM系列總線隔離收發器

fb594832-b22f-11ed-ad0d-dac502259ad0.jpg ?如何有效避免鐮刀波形再發生

  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。在應用環境良好情況下,可少接或不接保護器件;環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點都需要接保護器件,應當根據環境惡劣情況、節點總數、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。
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