如何接好 CAN 的“地”

时间:2017-11-02 09:51来源:ZLG致远电子

摘要:工业现场CAN环境复杂多变,工程师面对信号的杂、乱、差却是束手无策,追根溯源对于信号的各种地你接对了吗?

工业现场 CAN 环境复杂多变,工程师面对信号的杂、乱、差却是束手无策,追根溯源对于信号的各种地你接对了吗?

CAN 总线以其高可靠性、实时性、灵活性以及严谨的数据处理机制等特点,在工业现场和汽车行业得到广泛应用,但随着环境干扰以及节点数目的增加等对 CAN 总线的稳定性提出更高的要求,而面对电源地、信号地、屏蔽地、外壳地不同的接地方式又该如何处理呢?

如图1分别是电源地、信号地、屏蔽地以及大地四种不同地的常见符号。


 
图1  四种接地符号
 

 
Ø 电源地概念:
电源地也为供电地,是为保证供电电源形成完整的电流回路设置的供电地,即 GND。

Ø 电源地处理:
与单电源供电的负极相连。


 
图2  CAN 收发器电源地(GND)接线
 

 
Ø 信号地概念:
信号地也称为隔离地,为使电子设备工作时有一个统一的参考电位,避免有害电磁场的干扰,使设备稳定可靠的工作,设备中的信号电路统一参考地,即 CAN-GND;

Ø 信号地处理:
许多实际应用中,设计者常直接将每个节点的参考地接于本地的大地,作为信号的返回地,看似正常可靠的做法,却存在极大的隐患!

信号地(CAN-GND)正确的接法主要分为两种:
单屏蔽层线缆:如果线缆是单屏蔽层,信号地理想接法是使用专门的信号线将所有节点信号地连接,起到参考地的作用。但如果缺少信号地线,亦可将所有节点信号地都连接到屏蔽层,但这样屏蔽效果亦差强人意。


 
图 3 带有屏蔽层双绞线
 
 
图 4  含信号地线双绞线连接方式
 
 
图 5  信号地与屏蔽层连接方式
 
双屏蔽层线缆:当使用双层屏蔽电缆时,需要将所有节点信号地连接到内屏蔽层,若使用非屏蔽线进行数据传输时,请保持信号地管脚悬空处理。

 
图 6 双屏蔽层信号地处理方式
 
所有节点信号地接到屏蔽层或者双屏蔽层的内层后,屏蔽层处理方式注意为单点接地,不可多点接地,否则会在信号地线上形成地环流。

另外,单点接地时为了加大供电地和信号地之间的隔离电阻,阻止共地阻抗电路耦合产生的电磁干扰,注意采用隔离浮地设计,通过阻容方式将屏蔽层与外壳隔离。


 
图 7 未进行单点接地处理的报文受到电磁干扰
 

Ø 屏蔽地概念:
屏蔽地(CAN-Shield)也可理解为 CAN 屏蔽层,部分场合也标为 FG。导体外部有导体包裹的导线叫屏蔽线,包裹的导体叫屏蔽层,一般为编织铜网或铜泊(铝),屏蔽层需要接地处理,保证外来的干扰信号可被该层导入大地。


图8  单屏蔽层和双屏蔽层电缆剖析
 
Ø 屏蔽地处理:
当使用双层屏蔽电缆时,CAN-Shield 连接到外屏蔽层和 DB9 连接器的屏蔽壳。并且,使用 DB9 针式连接器时外屏蔽层会被连接到 pin 5 以保证当使用没有屏蔽连接的连接器时,可靠的接地。
多节点总线同样要求屏蔽地采用单点接地,防止形成回路,并且为浮地设计。

如下图9所示处理方式,CTM1051 模块3脚为屏蔽地,5脚为信号地。


 
图9  双屏蔽层线中信号地、屏蔽地处理方式
 

 
Ø 外壳地概念:
静电的电荷集聚在物体的表面,一旦遇到可以释放的回路就可以形成电流。有时候产生的电压非常高,特别是在干燥的环境里。电子产品的外壳地就是用来快速地将电荷释放到大地。

Ø 外壳地处理:
外壳接地既是对人体安全的保护,也是防干扰的一种手段,因为一般情况下机壳是金属的,是非常好的屏蔽体,绝大部分辐射干扰都可以阻挡在机壳之外。通过地线引入的干扰(也叫共阻抗干扰),处理方法一般采用地线隔离技术,在外壳接地时接入阻抗,加入滤波等。


 
图10  信号地、屏蔽地、外壳接地连接推荐电路
 
Ø 改进方案建议
如果您在使用 CAN 总线进行调试时,遇到过偶尔通信出错,或者接收不到数据,再者一直正常使用的总线,突然出现大范围的错误,或者节点损坏。

如果您还是在使用单纯的 CAN 收发器,那么请换成隔离 CAN 收发器吧!致远的 CTM 隔离模块内部包含隔离 DC-DC、信号隔离电路、CAN 总线收发电路、基础的总线防护等。

隔离收发器可将总线和控制电路进行电气隔离,将高压阻挡在控制系统之外,可以有效地保证操作人员的人身及系统安全。不仅如此,隔离可以抑制由接地电势差、接地环路引起的各种共模干扰,保证总线在严重干扰和其它系统级噪声存在的情况下不间断、无差错运行。


 
图11  CAN 隔离收发器推荐设计电路
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