【導讀】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？
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。
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“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。
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。
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。
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
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。
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
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。
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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