CAN数据总线系统EMC的评价方法

　  CAN(Controller Area Network)即控制器局域网络，属多路传输系统的一种，是德国Bosch公司20世纪80年代为汽车中应用越来越多的控制器而提出的一种网络概念，因其良好的性能价格比和可靠性，近年来得到广泛应用。CAN几乎成了汽车设计领域一种必须采用的技术手段。为保证整个网络系统安全、可靠运行，CAN数据总线系统必须具备良好的电磁兼容性(EMC)。实践证明，CAN数据总线系统的EMC很大程度上取决于CAN网络节点和线束的接口——集成收发器的性能。因此，评价CAN数据总线系统EMC的重点应集中于集成收发器。

1　CAN数据总线系统EMC的分析
　CAN数据总线系统作为汽车的子系统，其电磁兼容性可以通过测试整车EMC间接地确定。标准ISO 11451和标准CISPR 25分别给出了整车抗扰性和辐射的测试方法。然而，整车测试不但费用昂贵，而且只能在开发的后期进行，如果因为某个元件或者集成电路导致测试失败，将造成巨大损失。
　为避免损失，可通过测试元件或集成电路的EMC，预先评价CAN总线的EMC，这样不但能提前发现问题，而且非常经济。SAE和ISO/IEC已经制定了几种元件级的测试方法，为元件级EMC测试提供了通用的框架。为了具体评价CAN数据总线系统的EMC，需要首先分析其电磁兼容环境。
　如图1所示，CAN数据总线系统由一系列的网络节点通过总线相互连接组成。总线可看作是接收和发射电磁能量的天线，充当能量耦合的环节，网络节点既是干扰源又是被扰对象。由此可知，影响CAN数据总线系统EMC的两个要素是线束的EMC耦合和网络节点的EMC。其中线束的EMC耦合因数与CAN数据总线系统EMC评价标准的制定有关，网络节点的EMC则是整个CAN数据总线系统EMC的直接度量标准。另外由网络结构可知，收发器是网络节点和线束的接口，因此收发器的EMC应是测试CAN数据总线系统EMC的关键，通过测试收发器的EMC可以有效地预评价CAN数据总线系统的EMC。
 
图1  CAN总线系统结构图

2　评价CAN数据总线系统EMC的基本标准
　由于被测装置将在汽车上使用，所以测试方法应从现在的汽车EMC测试国际标准ISO 11451、CISPR25、ISO 11452中挑选。这些标准对应不同的测试装置和耦合方法，提供了一系列的测试方法。选择EMC测试方法的依据是在有限设备的支持下，测试中以反复地进行。为此，需要在被测电路和测试仪器之间提供一种已知的、易复现的耦合方式。对于评价收发器类型的集成电路，采用被测装置和测试仪器之间直接耦合的方法即可达到上述要求。国际标准ISO 11452－7提供了直接耦合的测试方法，可用于元件级抗扰性的测试。

2.1　抗扰性测试
　图2为标准ISO 11452－7提供的测试连接图。图2中外围设备(如电源和数字信号)连接到被测装置，为被测装置提供必不可少的工作，连接线路配有滤清器，称为宽带模拟网(BAN)，它可以防止射频能量向外围设备的辐射。根据经验，滤波器在被测装置一边必须呈高阻态(输出阻抗应为几百Ω)。对于抗扰性评价，测试仪器既是发射能量的干扰源，又是测量抗扰性电平的测试仪器，此时射频能量通过射频耦合网络注入被测装置。
 
图2  ISO 11452-7的测试连接图
　ISO 11452－7规定被测装置和BAN之间的最大距离为75 mm，为了在宽频率范围内提供确定的耦合，一般建议被测装置和BAN之间的距离越小越好。同时为方便测试能反复进行，最好采用PCB(Printed Circuit Board，即印刷电路板)作为测试装置。ISO 11452－7还规定射频耦合网络由隔直电容器和10 dB的衰减器串联组成，电容器的作用是抑制直流分量，衰减器减小阻抗失配以保护功率放大器。

2.2　辐射测试
　IEC 61967提供了多种集成电路级电磁辐射测试方法。与抗扰性测试相似，优先采用被测装置和测试仪器之间直接耦合的测试方法。IEC 61967－4对采用直接耦合测试辐射的方法有详细论述，其连接图与图2所示抗扰性测试连接图完本相同。与抗扰性测试类似，IEC 61967－4规定耦合网络由一个隔直电容器和一个电阻串联组成，工作在信号线的负载状态，对于串行口(收发器总线引脚)来说该负载的值很小，不会影响收发器的正常工作。
　综上所述，采用图2所示的测试连接图作为后面进行CAN数据总线系统EMC评价的基础。下面介绍适用于不同网络(包括单线CAN、容错CAN和高速CAN)EMC评价的测试装置。

3　CAN数据总线系统EMC的测试装置
3.1　单线CAN的测试装置
　单线CAN通过单根总线连接，一般应用于低速场合，典型传输速率33 kb/s，最多可连接32个节点。图3所示的测试PCB上安装了两个单线CAN收发器AU 5790，电源线BAN2(包含电源滤波电感器)滤波器F1和F2给收发器提供工作电压。收发器1接收经BAN1(包含1 kΩ的串联电阻)输入的CAN信息，并经CAN－H发送到收发器2，收发器2再将信息经BAN1从测试板输出。测试仪器通过射频耦合网络与CAN－H连接。
　在抗扰性测试中，射频信号发生器或功率放大装置与耦合节点相连，在这个节点上测量抗扰电平。而在辐射测试中，测试接收装置或频谱分析仪代替射频信号发生装置连接到耦合节点上。
 
图3  单线CAN总线测试装置原理图
3.2　耦合网络和电阻分压器是进行精确测量的关键
　CAN－H的直流负载为R2和R6，电阻约为1 kΩ，射频耦合网络中的R1、C1和R3构成CAN－H的交流负载，这些元件值的选取应接近典型总线负载的值。其中R2和R6还构成电阻分压器，得到辅助的射频输出端(RF－OUT)。R6的选取应使RF－OUT点的输出阻抗为50 Ω，它与输入阻抗50 Ω的测试仪器连接，衰减约为32 dB。设置辅助输出端的目的：①测量从耦合节点到CAN－H线的传递函数；②测量时域范围内CAN－H的电压。
3.2.1　抗扰性评价对射频耦合网络的要求
　耦合网络组成的要素是R1和C1，R1的选取应使CAN－H到搭铁的耦合阻抗与IEC 61967－4规定的阻抗150×(1±0.2)Ω相匹配，同时C1的选取应使耦合网络的等效阻抗接近于单线CAN网络的典型负载。C1还决定了射频耦合网络在低频范围内的转折频率f：
f=1/[2π(RS＋R1)C1]
   =1/[2×π×145×4.7×10－9≈225 kHz            (1)
　该频率比ISO 11452－7中规定的最低测试频率250 kHz要低。
　高频范围内的转折频率由测试PCB决定，主要应避免谐振的发生。为确定高频转折频率，需要先测量或计算耦合网络的传递函数，Philips半导体实验室利用图4所示的电路进行了耦合网络传递函数的测量和计算，图4中CPCB为CAN－H到搭铁的寄生电容，经测量其值为7.5 pF，测量和计算的结果如图5所示。将传递函数的计算结果与测量结果相比较，可以发现两者非常吻合。并且由图5可知，至少在500 MHz以内，测试电路不会受到谐振的影响。
 
图4  计算耦合网络传递函数的等效电路
 
图5  耦合网络传递函数的测量和计算结果
3.2.2　电磁辐射评价对射频耦合网络的要求
　测量电磁辐射时，需要知道CAN－H到频谱分析仪的传递函数。射频耦合网络和频谱分析仪的输入阻搞具有高通滤波的特性，转折频率与公式(1)的结果相同，通常衰减约为15 dB，因而把该值加到频谱分析仪的读数上，才能得到CAN－H线上电磁辐射的直正值。

3.3　其他CAN系统的耦合网络
3.3.1　高速CAN
　高速CAN采用双线传输方式，在双线上传输差分信号，主要应用于C类网等高速场合，最高传输速率可达1 Mb/s，至少可连接110个节点。由于CAN－H和CAN－L上传输的信号为差分信号，因而对高速CAN，EMC的影响主要来自共模信号。图6所示为高速CAN的测试装置，其中差分网络的标称负载是60 Ω，为了耦合共模信号，将其分成为相等的两份R7、R8，一般两者之间的误差不超过0.1％。同时为了避免电平偏差的转移，分压电路R2、R6、R9和R10只有在测量传递函数时才被连接到电路中。
 
图6  高速CAN测试装置原理图
3.3.2　容错CAN
　　容错CAN数据总线系统也采用双线传输方式，一般应用于中速场合，最高传输速率可达125 kb/s，最多可连接15个节点。它的突出优点是一旦总线发生错误，能自动转换到单线传输模式，因而需要对第一条线进行测试。图7为容错CAN的测试装置，由图7可知射频耦合网络连接到CAN总线的每一端，CAN－H经R8搭铁，CAN－L经R7接电源电压，分压电路R2、R6和R9、R10提供了辅助输出端。同样为方便对共模信号进行测量，元件C1、C3、R7、R8和分压电路必须成对相匹配，一般误差不超过0.1％。
 
图7  容错CAN测试装置原理图

4　CAN数据总线系统EMC的评价标准
4.1　电磁辐射的评价标准
　　选定好测试装置之后，还需制定合适的评价标准。对于电磁辐射的评价，辐射限值可由被扰对象的抗扰限值结合干扰源和被扰对象之间的耦合得出。众所周知，车载电台对其他车载设备和系统辐射的干扰最为敏感，因此把车载电台作为被扰对象，CAN数据总线系统的辐射在车载电台一端必须严格得低于车载电台的抗扰限值。CISPR 25规定了车载电台天线输入端的抗扰限值，在中波波段为0 dBμV，长波波段为5 dBμV。
    CAN数据总线系统耦合的传递函数则非常复杂，它受到耦合路径的种类、频率范围和线束布局等因素的制约，不同的网络其耦合函数也各不相同，很难精确界定。不过现有CAN数据总线系统应用的实践表明：由于总线信号的频谱和被扰对象的敏感区域大都在低频范围(AM波段)内，在低频范围内需要特别注意控制辐射。所以，耦合因数取AM波段的典型值70 dB，考虑到上文指出测试装置的射频耦合网络衰减了15 dB，测试装置的射频耦合点和车载电台天线输入端之间的耦合因数则为55 dB。结合上述两方面的因素，确定辐射的评价标准如表1所示。

4.2　抗扰性的评价标准
　电磁场是产生对CAN数据总线系统总线干扰的根本原因，电磁场场与由之产生的干扰信号之间的关系称为抗扰性的耦合因数。实践证明，总线上的干扰电平随频率变化而变化。在低频范围内，抗扰耦合因数较低，干扰电平也较低。随着频率的上升由于有效网络线长和波长之间的关系发生了变化，该因数相应增加。在较高的频率范围，抗扰耦合因数小于或等于网络线长和波长达到最佳匹配时的值(一般在短波范围内达到最佳匹配)。
利用本文的测试装置实际测量的结果显示，在短波频率范围内，抗扰限值为10 V；低于短波频率范围时，抗扰限值随频率线性下降，如表2所示。

5　CAN数据总线系统EMC的评价方法
5.1　射频辐射的测试和评价
　有了测试装置和评价标准之后，就可以进行CAN数据总线系统EMC的评价了。下面以单线CAN为例说明CAN数据总线系统EMC的评价方法。采用图3所示的单线CAN测试装置，按照ISO 11452－7的规定配置测试参数，将频谱分析仪连接到射频耦合点就可以测得收发器辐射能量的频谱，如图8所示。
 
图8  单线CAN射频辐射的频谱
5.2　抗扰性的测试和评价
　同样采用图3的测试装置，按照IEC 61967－4的规定配置测试参数，将信号发生器通过功率放大器连接到射频耦合点，使用电压表或能量表对该点进行测量。注入射频能量的同时，将CAN数据流从CAN－IN端口输入，比较CAN－IN与CAN－OUT的数据流，检测并记录数据错误。在测试过程中逐步地改变测试频率，在每个频点，射频干扰电平从最小值逐步增加到预置的最大值，并在每个射频干扰电平下监控CAN数据流的完整性，差别是否发生传输错误。如果检测到一个或更多的错误则该点就是集成电路的抗干扰的极限值。把该电平值和测试频率一起记录下来，如果记录的射频干扰电平低于评价标准，说明收发器集成电路的抗扰性能差，不适用于汽车的CAN数据总线系统。

6　结论
　通过评价收发器IC的EMC，可以有效地对CAN数据总线系统进行预评价。该EMC评价方法适用于单线CAN、高速CAN和容错CAN系统，具有广泛的应用前景。