CAN/RS485为什么要用双绞线？

在CAN、RS-485等总线应用中&＃xff0c;一般建议使用屏蔽双绞线进行组网、布线&＃xff0c;从而减少外界干扰对总线通信的影响。对此很多工程师知其然&＃xff0c;却不知其所以然。秉承着寻根究底的态度&＃xff0c;本文将简单地介绍一下双绞线抗干扰的原理。

1差分信号传输

CAN、RS-485接口采用的是差分信号传输方式。差分信号传输是一种使用两个互补电信号进行信息传递的方法。以高速CAN为例&＃xff0c;不同的逻辑状态通过CANH、CANL两根信号线进行传输&＃xff0c;接收电路只对两根信号线的信号差值进行识别。理想状态下&＃xff0c;CAN总线的波形如图1所示。

图1

干扰信号一般以共模的形式存在&＃xff0c;当总线受到干扰时&＃xff0c;两根总线会同时受影响&＃xff0c;但其差分电压并不会受影响&＃xff0c;如图2所示。相对于单端信号传输方式来说&＃xff0c;差分信号传输方式具有更好的抗干扰能力。

图2

当然&＃xff0c;采用了差分传输方式也并不可以高枕无忧。CAN、RS-485总线经常用于远距离通信&＃xff0c;线缆长度的增加&＃xff0c;各种干扰通过线缆耦合到总线上&＃xff0c;极大地增加了外界对总线通信干扰的概率&＃xff0c;如果线缆选用及使用不当&＃xff0c;极有可能造成通信异常。对于CAN、RS-485等总线应用&＃xff0c;一般我们会推荐使用双绞线。

2噪声的耦合机理

要了解双绞线的优点&＃xff0c;需要先理解干扰是如何影响到有用信号的。干扰&＃xff08;噪声&＃xff09;一般通过耦合的方式对系统进行影响&＃xff0c;常见的耦合机制有4种&＃xff0c;分别是传导耦合、电容耦合、电感&＃xff08;感应&＃xff09;耦合以及辐射耦合。

干扰源与受干扰电路具有电气连接&＃xff0c;如共地&＃xff0c;干扰源的电流流动使公共部分形成电流并产生干扰电压&＃xff0c;从而对受干扰电路的信号造成影响&＃xff0c;这种方式为传导耦合。图3为传导耦合示意图&＃xff0c;Es是信号源&＃xff0c;Zs是信号源内阻&＃xff0c;Zc是公共部分阻抗&＃xff0c;Zl是负载阻抗&＃xff0c;En为干扰源&＃xff0c;Vl为负载电压。干扰源En产生的电流流过Zc&＃xff0c;在Zc上产生压降&＃xff0c;导致Vl电压变化&＃xff0c;由此影响负载侧的信号。

图3

电容耦合出现在两个邻近导体存在变化的电场时&＃xff0c;干扰电流通过导体间的耦合电容流入受干扰电路。由于耦合电容一般很小&＃xff0c;其阻抗很大&＃xff0c;故干扰源对于受干扰电路可看作一个恒定电流源&＃xff0c;信号电路的阻抗较大时&＃xff0c;影响特别明显。图4为电容耦合示意图&＃xff0c;Es是信号源&＃xff0c;Zs是信号源内阻&＃xff0c;Cm是耦合电容&＃xff0c;Zl是负载阻抗&＃xff0c;En为干扰源&＃xff0c;Vl为负载电压。干扰电流通过Cm流入Zl&＃xff0c;对Vl造成影响。

图4

电感&＃xff08;感应&＃xff09;耦合出现在两个平行导体之间存在变化的磁场时。干扰源电流流过导体产生磁通&＃xff0c;磁通在受干扰电路导体中形成感应电动势&＃xff0c;从而影响受干扰信号。在这种情况下&＃xff0c;噪声可以看作一个恒定电压源&＃xff0c;因此在低阻抗电路中噪声影响变大。图5是感应耦合的示意图&＃xff0c;Es是信号源&＃xff0c;Zs是信号源内阻&＃xff0c;Lm是互感&＃xff0c;Zl是负载阻抗&＃xff0c;En为干扰源&＃xff0c;Vl为负载电压。干扰源En电流流过互感Lm&＃xff0c;在受干扰电路形成电压&＃xff0c;对Vl造成影响。

图5

辐射耦合出现在干扰源与受干扰器件距离较远的情况&＃xff0c;干扰源及受干扰器件均作为无线天线&＃xff0c;干扰源发送出干扰电磁波&＃xff0c;而被受干扰器件接收。

3双绞线的优点

双绞线由两根相互绝缘的导线相互缠绕而成&＃xff0c;特别适合差分信号传输场合&＃xff0c;与平行线相比&＃xff0c;可以更有效地抑制干扰。

1、消除电容耦合

相对于平行对线&＃xff0c;双绞线每根单线对干扰源或地的耦合电容值更加接近&＃xff0c;阻抗更加平衡&＃xff0c;如图6所示。

图6

由于双绞线紧密缠绕在一起&＃xff0c;两根线与噪声源之间的耦合电容、与大地之间的阻抗基本一致。噪声源流入到两根信号线的干扰电流基本相同&＃xff0c;两根信号线的差值不变&＃xff0c;耦合电容的电流转化为共模干扰。如图7&＃xff0c;耦合电容C1&＃61;C2&＃xff0c;Z1&＃61;Z2&＃xff0c;干扰源流入C1&＃xff0c;C2的电流相等&＃xff0c;即1、2两个根线产生的电压相等&＃xff0c;Vn&＃61;0。由于差分信号传输方式具有良好的共模抑制能力&＃xff0c;因此可以消除电容耦合的影响。

图7

2、消除电感&＃xff08;感应&＃xff09;耦合

若使用平行线&＃xff0c;两根信号线会形成一个很窄的环路&＃xff0c;这个环路会拾取环境中的磁场干扰。双绞线的结构是以固定的间距扭转传输线的两个导体&＃xff0c;使得由磁场引起的电动势方向在每个相邻的“小环路”处反转&＃xff0c;因此可以顺序地抵消。从电路上看&＃xff0c;每个相邻“小环路”处的互感对噪声源来说是一正一负的&＃xff0c;导线整体互感变为零。如图8所示&＃xff0c;平行线受到外界磁场干扰时&＃xff0c;两根导线的感应电流无法抵消&＃xff0c;会产生较大的感应电压&＃xff0c;影响信号传输。而双绞线的结构使导线的感应电流相互抵消&＃xff0c;不会产生感应电压。

图8

3、减少对外干扰

用于差分信号传输时&＃xff0c;双绞线两根线的电流大小相等&＃xff0c;方向相反。如图9&＃xff0c;理想状态下&＃xff0c;双绞线两线组成的每两个相邻的“小环路”所形成的磁场方向相反&＃xff0c;大小相等&＃xff0c;可以相互抵消&＃xff0c;故双绞线对外的电磁干扰比平行线缆要小。

图9

4总结

在差分传输应用中&＃xff0c;双绞线不仅可以降低自身对外界的干扰&＃xff0c;同时可以消除与外界干扰源的电容耦合和感应耦合&＃xff0c;具有一石二鸟的作用&＃xff0c;因此双绞线在诸如CAN、RS-485等差分信号传输的应用中得到了广泛使用。

上文均是基于理想的双绞线进行分析&＃xff0c;但实际的双绞线由于制作时绞合程度、绞合的偏差、线缆本身的寄生参数差异等&＃xff0c;并不理想&＃xff0c;所以在实际应用中&＃xff0c;双绞线对噪声抑制能力会减弱。

由于双绞线的结构并不能消除传导耦合以及辐射耦合的干扰&＃xff0c;在一些干扰严重的场合&＃xff0c;仍需要配合隔离技术和屏蔽技术以提高系统的抗干扰性能。隔离技术可以有效抑制传导耦合形成的共模干扰&＃xff0c;而屏蔽技术可以有效抑制辐射干扰。

在干扰严重的场合&＃xff0c;选用隔离收发器&＃xff0c;并配合屏蔽双绞线使用&＃xff0c;会为CAN、RS-485应用提供良好的抗干扰性能&＃xff0c;保障通信的可靠性。

转自&＃xff1a;ZLG立功科技一致远电子

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