CAN數據匯流排系統EMC的評價方法

　  CAN(Controller Area Network)即控制器區域網絡，屬多路傳輸系統的一種，是德國Bosch公司20世紀80年代為汽車中應用越來越多的控制器而提出的一種網路概念，因其良好的性能價格比和可靠性，近年來得到廣泛應用。CAN幾乎成了汽車設計領域一種必須採用的技術手段。為保證整個網路系統安全、可靠運行，CAN數據匯流排系統必須具備良好的電磁兼容性(EMC)。實踐證明，CAN數據匯流排系統的EMC很大程度上取決於CAN網路節點和線束的介面——集成收發器的性能。因此，評價CAN數據匯流排系統EMC的重點應集中於集成收發器。

1　CAN數據匯流排系統EMC的分析
　CAN數據匯流排系統作為汽車的子系統，其電磁兼容性可以通過測試整車EMC間接地確定。標準ISO 11451和標準CISPR 25分別給出了整車抗擾性和輻射的測試方法。然而，整車測試不但費用昂貴，而且只能在開發的後期進行，如果因為某個元件或者集成電路導致測試失敗，將造成巨大損失。
　為避免損失，可通過測試元件或集成電路的EMC，預先評價CAN匯流排的EMC，這樣不但能提前發現問題，而且非常經濟。SAE和ISO/IEC已經制定了幾種元件級的測試方法，為元件級EMC測試提供了通用的框架。為了具體評價CAN數據匯流排系統的EMC，需要首先分析其電磁兼容環境。
　如圖1所示，CAN數據匯流排系統由一系列的網路節點通過匯流排相互連接組成。匯流排可看作是接收和發射電磁能量的天線，充當能量耦合的環節，網路節點既是干擾源又是被擾對象。由此可知，影響CAN數據匯流排系統EMC的兩個要素是線束的EMC耦合和網路節點的EMC。其中線束的EMC耦合因數與CAN數據匯流排系統EMC評價標準的制定有關，網路節點的EMC則是整個CAN數據匯流排系統EMC的直接度量標準。另外由網路結構可知，收發器是網路節點和線束的介面，因此收發器的EMC應是測試CAN數據匯流排系統EMC的關鍵，通過測試收發器的EMC可以有效地預評價CAN數據匯流排系統的EMC。
 
圖1  CAN匯流排系統結構圖

2　評價CAN數據匯流排系統EMC的基本標準
　由於被測裝置將在汽車上使用，所以測試方法應從現在的汽車EMC測試國際標準ISO 11451、CISPR25、ISO 11452中挑選。這些標準對應不同的測試裝置和耦合方法，提供了一系列的測試方法。選擇EMC測試方法的依據是在有限設備的支持下，測試中以反覆地進行。為此，需要在被測電路和測試儀器之間提供一種已知的、易復現的耦合方式。對於評價收發器類型的集成電路，採用被測裝置和測試儀器之間直接耦合的方法即可達到上述要求。國際標準ISO 11452－7提供了直接耦合的測試方法，可用於元件級抗擾性的測試。

2.1　抗擾性測試
　圖2為標準ISO 11452－7提供的測試連接圖。圖2中外圍設備(如電源和數字信號)連接到被測裝置，為被測裝置提供必不可少的工作，連接線路配有濾清器，稱為寬頻模擬網(BAN)，它可以防止射頻能量向外圍設備的輻射。根據經驗，濾波器在被測裝置一邊必須呈高阻態(輸出阻抗應為幾百Ω)。對於抗擾性評價，測試儀器既是發射能量的干擾源，又是測量抗擾性電平的測試儀器，此時射頻能量通過射頻耦合網路注入被測裝置。
 
圖2  ISO 11452-7的測試連接圖
　ISO 11452－7規定被測裝置和BAN之間的最大距離為75 mm，為了在寬頻率範圍內提供確定的耦合，一般建議被測裝置和BAN之間的距離越小越好。同時為方便測試能反覆進行，最好採用PCB(Printed Circuit Board，即印刷電路板)作為測試裝置。ISO 11452－7還規定射頻耦合網路由隔直電容器和10 dB的衰減器串聯組成，電容器的作用是抑制直流分量，衰減器減小阻抗失配以保護功率放大器。

2.2　輻射測試
　IEC 61967提供了多種集成電路級電磁輻射測試方法。與抗擾性測試相似，優先採用被測裝置和測試儀器之間直接耦合的測試方法。IEC 61967－4對採用直接耦合測試輻射的方法有詳細論述，其連接圖與圖2所示抗擾性測試連接圖完本相同。與抗擾性測試類似，IEC 61967－4規定耦合網路由一個隔直電容器和一個電阻串聯組成，工作在信號線的負載狀態，對於串列口(收發器匯流排引腳)來說該負載的值很小，不會影響收發器的正常工作。
　綜上所述，採用圖2所示的測試連接圖作為後面進行CAN數據匯流排系統EMC評價的基礎。下面介紹適用於不同網路(包括單線CAN、容錯CAN和高速CAN)EMC評價的測試裝置。

3　CAN數據匯流排系統EMC的測試裝置
3.1　單線CAN的測試裝置
　單線CAN通過單根匯流排連接，一般應用於低速場合，典型傳輸速率33 kb/s，最多可連接32個節點。圖3所示的測試PCB上安裝了兩個單線CAN收發器AU 5790，電源線BAN2(包含電源濾波電感器)濾波器F1和F2給收發器提供工作電壓。收發器1接收經BAN1(包含1 kΩ的串聯電阻)輸入的CAN信息，並經CAN－H發送到收發器2，收發器2再將信息經BAN1從測試板輸出。測試儀器通過射頻耦合網路與CAN－H連接。
　在抗擾性測試中，射頻信號發生器或功率放大裝置與耦合節點相連，在這個節點上測量抗擾電平。而在輻射測試中，測試接收裝置或頻譜分析儀代替射頻信號發生裝置連接到耦合節點上。
 
圖3  單線CAN匯流排測試裝置原理圖
3.2　耦合網路和電阻分壓器是進行精確測量的關鍵
　CAN－H的直流負載為R2和R6，電阻約為1 kΩ，射頻耦合網路中的R1、C1和R3構成CAN－H的交流負載，這些元件值的選取應接近典型匯流排負載的值。其中R2和R6還構成電阻分壓器，得到輔助的射頻輸出端(RF－OUT)。R6的選取應使RF－OUT點的輸出阻抗為50 Ω，它與輸入阻抗50 Ω的測試儀器連接，衰減約為32 dB。設置輔助輸出端的目的：①測量從耦合節點到CAN－H線的傳遞函數；②測量時域範圍內CAN－H的電壓。
3.2.1　抗擾性評價對射頻耦合網路的要求
　耦合網路組成的要素是R1和C1，R1的選取應使CAN－H到搭鐵的耦合阻抗與IEC 61967－4規定的阻抗150×(1±0.2)Ω相匹配，同時C1的選取應使耦合網路的等效阻抗接近於單線CAN網路的典型負載。C1還決定了射頻耦合網路在低頻範圍內的轉折頻率f：
f=1/[2π(RS＋R1)C1]
   =1/[2×π×145×4.7×10－9≈225 kHz            (1)
　該頻率比ISO 11452－7中規定的最低測試頻率250 kHz要低。
　高頻範圍內的轉折頻率由測試PCB決定，主要應避免諧振的發生。為確定高頻轉折頻率，需要先測量或計算耦合網路的傳遞函數，Philips半導體實驗室利用圖4所示的電路進行了耦合網路傳遞函數的測量和計算，圖4中CPCB為CAN－H到搭鐵的寄生電容，經測量其值為7.5 pF，測量和計算的結果如圖5所示。將傳遞函數的計算結果與測量結果相比較，可以發現兩者非常吻合。並且由圖5可知，至少在500 MHz以內，測試電路不會受到諧振的影響。
 
圖4  計算耦合網路傳遞函數的等效電路
 
圖5  耦合網路傳遞函數的測量和計算結果
3.2.2　電磁輻射評價對射頻耦合網路的要求
　測量電磁輻射時，需要知道CAN－H到頻譜分析儀的傳遞函數。射頻耦合網路和頻譜分析儀的輸入阻搞具有高通濾波的特性，轉折頻率與公式(1)的結果相同，通常衰減約為15 dB，因而把該值加到頻譜分析儀的讀數上，才能得到CAN－H線上電磁輻射的直正值。

3.3　其他CAN系統的耦合網路
3.3.1　高速CAN
　高速CAN採用雙線傳輸方式，在雙線上傳輸差分信號，主要應用於C類網等高速場合，最高傳輸速率可達1 Mb/s，至少可連接110個節點。由於CAN－H和CAN－L上傳輸的信號為差分信號，因而對高速CAN，EMC的影響主要來自共模信號。圖6所示為高速CAN的測試裝置，其中差分網路的標稱負載是60 Ω，為了耦合共模信號，將其分成為相等的兩份R7、R8，一般兩者之間的誤差不超過0.1％。同時為了避免電平偏差的轉移，分壓電路R2、R6、R9和R10隻有在測量傳遞函數時才被連接到電路中。
 
圖6  高速CAN測試裝置原理圖
3.3.2　容錯CAN
　　容錯CAN數據匯流排系統也採用雙線傳輸方式，一般應用於中速場合，最高傳輸速率可達125 kb/s，最多可連接15個節點。它的突出優點是一旦匯流排發生錯誤，能自動轉換到單線傳輸模式，因而需要對第一條線進行測試。圖7為容錯CAN的測試裝置，由圖7可知射頻耦合網路連接到CAN匯流排的每一端，CAN－H經R8搭鐵，CAN－L經R7接電源電壓，分壓電路R2、R6和R9、R10提供了輔助輸出端。同樣為方便對共模信號進行測量，元件C1、C3、R7、R8和分壓電路必須成對相匹配，一般誤差不超過0.1％。
 
圖7  容錯CAN測試裝置原理圖

4　CAN數據匯流排系統EMC的評價標準
4.1　電磁輻射的評價標準
　　選定好測試裝置之後，還需制定合適的評價標準。對於電磁輻射的評價，輻射限值可由被擾對象的抗擾限值結合干擾源和被擾對象之間的耦合得出。眾所周知，車載電台對其他車載設備和系統輻射的干擾最為敏感，因此把車載電台作為被擾對象，CAN數據匯流排系統的輻射在車載電台一端必須嚴格得低於車載電台的抗擾限值。CISPR 25規定了車載電台天線輸入端的抗擾限值，在中波波段為0 dBμV，長波波段為5 dBμV。
    CAN數據匯流排系統耦合的傳遞函數則非常複雜，它受到耦合路徑的種類、頻率範圍和線束布局等因素的制約，不同的網路其耦合函數也各不相同，很難精確界定。不過現有CAN數據匯流排系統應用的實踐表明：由於匯流排信號的頻譜和被擾對象的敏感區域大都在低頻範圍(AM波段)內，在低頻範圍內需要特別注意控制輻射。所以，耦合因數取AM波段的典型值70 dB，考慮到上文指出測試裝置的射頻耦合網路衰減了15 dB，測試裝置的射頻耦合點和車載電台天線輸入端之間的耦合因數則為55 dB。結合上述兩方面的因素，確定輻射的評價標準如表1所示。

4.2　抗擾性的評價標準
　電磁場是產生對CAN數據匯流排系統匯流排干擾的根本原因，電磁場場與由之產生的干擾信號之間的關係稱為抗擾性的耦合因數。實踐證明，匯流排上的干擾電平隨頻率變化而變化。在低頻範圍內，抗擾耦合因數較低，干擾電平也較低。隨著頻率的上升由於有效網路線長和波長之間的關係發生了變化，該因數相應增加。在較高的頻率範圍，抗擾耦合因數小於或等於網路線長和波長達到最佳匹配時的值(一般在短波範圍內達到最佳匹配)。
利用本文的測試裝置實際測量的結果顯示，在短波頻率範圍內，抗擾限值為10 V；低於短波頻率範圍時，抗擾限值隨頻率線性下降，如表2所示。

5　CAN數據匯流排系統EMC的評價方法
5.1　射頻輻射的測試和評價
　有了測試裝置和評價標準之後，就可以進行CAN數據匯流排系統EMC的評價了。下面以單線CAN為例說明CAN數據匯流排系統EMC的評價方法。採用圖3所示的單線CAN測試裝置，按照ISO 11452－7的規定配置測試參數，將頻譜分析儀連接到射頻耦合點就可以測得收發器輻射能量的頻譜，如圖8所示。
 
圖8  單線CAN射頻輻射的頻譜
5.2　抗擾性的測試和評價
　同樣採用圖3的測試裝置，按照IEC 61967－4的規定配置測試參數，將信號發生器通過功率放大器連接到射頻耦合點，使用電壓表或能量表對該點進行測量。注入射頻能量的同時，將CAN數據流從CAN－IN埠輸入，比較CAN－IN與CAN－OUT的數據流，檢測並記錄數據錯誤。在測試過程中逐步地改變測試頻率，在每個頻點，射頻干擾電平從最小值逐步增加到預置的最大值，並在每個射頻干擾電平下監控CAN數據流的完整性，差別是否發生傳輸錯誤。如果檢測到一個或更多的錯誤則該點就是集成電路的抗干擾的極限值。把該電平值和測試頻率一起記錄下來，如果記錄的射頻干擾電平低於評價標準，說明收發器集成電路的抗擾性能差，不適用於汽車的CAN數據匯流排系統。

6　結論
　通過評價收發器IC的EMC，可以有效地對CAN數據匯流排系統進行預評價。該EMC評價方法適用於單線CAN、高速CAN和容錯CAN系統，具有廣泛的應用前景。