为何总线“镰刀”波形频频发生?

无论是CAN总线还是485总线，实际应用中经常会出现各种异常，常因总线组网后，波形边沿出现过缓、呈“镰刀”状的现象，导致数据丢失或出错，那么这现象前因后果大家是否真正的了解呢？ 

 案例一

1. CAN总线异常现象

我司某工业机器人客户反馈，使用SM1500的机器人控制板卡，在传输数据过程中出现丢帧的情况，如下图1，客户现场模拟的组网方式为31个节点的手拉手拓扑，通讯波特率为250kbps。

  图1 现场组网环境

若总线收发器在使用过程中出现异常，一般会先从总线波形着手去分析原因。如图2，为客户组网的简要框图，我司使用CAN分析仪抓取了第31个节点处总线波形，发现波形边沿过缓，出现了“镰刀”状的现象，如下图3。

图2 控制板卡组网简要框图

图3 CAN总线“镰刀”波形

总线波形出现“镰刀”状的现象通常是由于总线上存在过大电容起的，根据电容的充放电时间公式可知t=RC，其中R可看成总线接口内阻与终端电阻，C则是总线上的等效电容。

如图4，总线等效电容Cj包括总线引脚对地电容Cj1与总线之间的电容Cj2，当总线电平由高变低时（压差变化），由于电容上的电压不能突变，那么电容Cj会分别通过内阻R内和终端电阻R终端放电。收发器内阻和终端电阻一般固定，当电容过大时，则放电时间变长，从而导致了总线波形边沿变缓。

图4 总线等效电容放电原理框图

2. CAN接口电路原理与异常分析

SM1500 CAN接口电容一般只有几皮法，即使31个节点组网最多也不过上百皮法，配合终端电阻使用一般不会出现“镰刀”状波形。我司在检查客户CAN接口电路后发现存在TVS管、气体放电管等保护器件，如下图5。TVS管本身存在较大的结电容，一般在几百到上千皮法，当总线组网后结电容会累计增加，高速通讯的时候总线就有可能出现“镰刀”状波形。

图5 控制板卡CAN接口保护电路

将总线接口保护电路的TVS3和TVS4去掉后组网，并测试第31个节点处波形发现仍呈“镰刀”状，但波形边沿迟缓程度减小，如图6，同时也没有再出现丢帧情况。最后再去掉TVS2后测试，“镰刀”状波形消失，如图7。对比去掉TVS管前后波形，边沿时间由1.3us减小至160ns，如图8。

图6 去掉部分TVS管后总线波形

图7 去掉全部TVS管后总线波形

图8 去掉TVS管前后波形边沿时间对比

 案例二

1. 485总线异常现象

我司某灯光设备客户反馈，使用SM4500的灯光具设备以手拉手方式组网后，在进行程序烧写时，出现了部分设备无法烧录程序的情况，组网简要框图如图9所示。

图9 灯具设备组网简要框图

通讯波特率为250kbps，如图10为10台灯具设备组网后总线波形，从波形看，和案例一相似，也呈“镰刀”状。

图10 485总线“镰刀”波形

2. 485总线接口电路原理与异常分析

设备接口原理如图11，客户在A、B线外加了1nF的电容C3、C4，当多个设备组网后，总线上电容必然会随着节点数的增多而增大，不仅起不到消除干扰作用，反而导致了波形失真。

图11 灯具设备485接口保护电路

为了确认是否是总线外接电容的影响，我司用13台去掉了电容的设备组网，并测试第13节点处波形，总线“镰刀”状波形消失，如图12左图，但波形存在尖峰，我司判断这由于信号反射导致，给第13台设备端接入120Ω终端电阻后，尖峰消失，如图12右图。

图12 接入终端电阻前后波形对比    

应用推荐

经过上述案例分析，可以知道，不管是CAN总线还是485总线，对电容都是非常敏感的，尤其是在高速通讯的时候。SM1500和SM4500本身就具有良好的EMC防护能力，裸机状态下，静电放电抗扰度满足IEC/EN 61000-4-2Contact ±6KV；脉冲群抗扰度满足IEC/EN 61000-4-4 ±2KV；雷击浪涌抗扰度满足IEC/EN 61000-4-5 共模±2KV。

实际应用中，适当的保护还是需要的，当需要增加防护器件时，需特别关注寄生电容的影响，尽可能选小电容器件。如图13，为我司推荐的常用接口防护电路，该电路寄生电容可控制在十几皮法左右，不仅满足高速通讯的需求，同时浪涌防护能力可达到IEC/EN 61000-4-5共模 ±4KV，差模 ±2kV的要求，如表1，给出了一组推荐的器件参数，参数值仅做参考，用户需根据实际情况来确定适当的值。

图13 总线常用接口保护电路

表1

 如何有效避免镰刀波形再发生

避免在总线上直接接入电容，若一定要接入，则必须考虑好通讯波特率的限制，以及组网后电容总和是否会影响通讯。

避免因增加保护电路器件间接引入过大电容。在应用环境良好情况下，可少接或不接保护器件；环境恶劣则必须接保护器件，但应当选用寄生电容小的器件和电路方案；同一总线不一定每个节点都需要接保护器件，应当根据环境恶劣情况、节点总数、波特率等因素选择。

避免选用劣质的通讯线，应当选用寄生电容小、内阻低的屏蔽双绞线。