浅谈CAN总线在半导体设备中的应用及抗干扰优化设计方法

　　摘要：CAN （controller area network控制器局域网） 是一种基于离散控制领域而被应用和推广的控制网络，现已广泛应用于各种半导体设备网络中。基于CAN的通讯特点，需要突出数据通讯及控制的可靠性、实时性、灵活性需求和特点，因此要保证设备及通讯网络设计的合理性和抗干扰能力。

　　关键词：CAN; 半导体； 抗干扰； 优化设计；

　　1 干扰及抗干扰设计原理

　　随着工业生产的不断发展，工业生产工艺越来越复杂，因此所配备的电气控制系统及软件逻辑控制网络也越来越复杂。设备增多和线路增加改变了原有电气系统的稳定性和封闭性，直接引起电磁环境的改变，也因此诸多半导体设备及CAN总线通讯网络也会受到电磁干扰的影响。

　　电磁干扰是电气系统运行过程中不可避免的电子噪声，所有存在电气的地方都会存在电磁干扰，这是辐射作用的必然结果。在半导体设备系统中电磁干扰主要存在两种形式，一种是通过能量传输产生干扰，另一种则是通过电磁感应实现干扰。无论哪种干扰形式都是电磁作用的结果，根据电磁作用的一般原理电磁干扰的存在三个基础条件，分别是干扰源、耦合路径和敏感设备，这三个条件分别对应电磁干扰源头、干扰途径和干扰目标。那么对应地提高半导体设备抗干扰能力也要从这三个条件出发，降低干扰源辐射、改变偶尔路径条件或者提高敏感设备运行稳定性，从而提高整个电气系统的抗干扰能力。

　　2 硬件抗干扰设计

　　屏蔽双绞线抗干扰：影响CAN总线抗干扰特性因素有很多，根据电磁干扰的一般理论，可以确定当总线传输介质对电磁效应较为敏感时就容易受到电磁干扰的影响，因此可以通过调整CAN总线传输介质来提高其抗干扰能力。

　　双绞线是现阶段最为常用的CAN总线传输介质，有屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线两种。非屏蔽双绞线的加工和应用成本较低，因此应用较为广泛，但是非屏蔽双绞线以两条独立绞线组合形式存在，虽然绞线自身铰扭结构具有一定的抗干扰能力，但是在复杂的电磁作用环境下仅仅依靠绞线自身抗干扰能力效果极为有限。在条件允许的情况下，推荐使用屏蔽双绞线，屏蔽双绞线具有更叫可靠的稳定的抗干扰能力，屏蔽双绞线是在非屏蔽双绞线基础上给两个独立绞线增加外部包装且包装内设置抗电磁干扰填充物，从而大幅度提高绞线的在电磁作用环境下的抗干扰能力。

　　此外根据电气系统设计，可以将屏蔽双绞线的外部屏蔽层接地，通过接地的方式将干扰电荷传输到大帝，也具有抑制电场、磁场、电磁场干扰的效果。

　　电气系统优化：半导体电气系统中一定会存在源动力供给单元，可能是电源、电机、驱动器等设备，此类设备在运行过程中很容易外溢大量电荷和辐射，从而在CAN总线中产生感应电荷而影响总线信息传输。为了尽可能地降低动力单元对CAN总线的电磁干扰效果，最简单、最直接的方法就是将两者的传输线路距离尽可能扩大。通过断开两传输线路的连接部分，线路分设后再设置中间屏蔽层，进而最大限度降低电气系统对CAN总线的电磁干扰效应。

　　接入终端电阻：在CAN总线终端接入电阻也是提高信息传输稳定性、可靠性的有效方式，这是对滤波技术的应用。通过接入电阻或电抗器的方式可以降低电气系统运行过程中变频而产生的谐波，进而降低电磁干扰影响幅度。同时电阻本身可以看做用电器元件，可以适当消耗电路中溢出电荷，降低设备运行过程中的浪涌电压和尖峰电压，降低CAN总线中电压波动幅度，也是提高CAN总线信息传递稳定的有效方法。

　　和终端接入电阻相比，接入进线电抗器对谐波的抑制更加明显，但抗电器的使用成本略高，当条件不允许时接入终端电阻能够取得效果仍可满足抗干扰需求。若是极为复杂的半导体电气系统，电磁环境恶劣的情况下，推荐使用电抗器而非终端接入电阻。

　　3 软件抗干扰设计

　　考虑到CAN总线设备的工作特点，软件抗干扰设计可分为三个方面，分别是复位设计、警报设计和节点保护（具体编程设计不再赘述）。

　　在三种程序设计中，警报设计是基础，警报设计的一般思路如下，给各个设备的运行参数设定一个阀值，当CAN总线中某一设备运行状态发生异常，可能为一个参数或多个参数超过阀值后，将异常参数发回主控单元，然后主控单元将异常参数记录并从库中找到对应指令执行，可能是节点保护、复位等操作。

　　复位设计是在警报设计基础上做出的应对异常参数的动作指令。复位指令的动作如下，当CAN总线设备发生异常后，主线主控收到警报后发出断线重连指令，重连后设备重启并执行恢复到出场设计指令。简单来说，复位指令由三个独立指令组成，故障单元设备断开动作、故障单元设备重连动作、故障单元重启后恢复出厂设置动作，当然复位指令并非对应电磁干扰的常用指令，在设计时应当充分考虑电气系统运行情况设定参数和阀值，只有当异常状态无法解决时再执行复位指令。

　　节点保护设计是基于CAN总线设备独立性的抗干扰软件设计，可同时支持心跳和节点保护。节点保护的本质是电磁干扰后设备运行参数异常后，总线主控发出保护指令，设备通过自身参数调节功能对运行状态进行微调，从而降低干扰影响。

　　参考文献
　　[1]刘玉倩，张立军，高荣荣，等。CAN总线在半导体设备中的应用及抗干扰优化设计[J].电子工业专用设备，2017, 46 （5） :52-55.
　　[2]李龙光，刘振威，乔海强，等。基于CAN总线的STM32F107程序在线升级[J].测控技术，2018, 37 （9） :156-158.