CAN、RS-485為什么要用雙絞線

在CAN、RS-485等總線應(yīng)用中，一般建議使用屏蔽雙絞線進(jìn)行組網(wǎng)、布線，從而減少外界干擾對(duì)總線通信的影響。對(duì)此很多工程師知其然，卻不知其所以然。秉承著尋根究底的態(tài)度，本文將簡(jiǎn)單地介紹一下雙絞線抗干擾的原理。

差分信號(hào)傳輸

CAN、RS-485接口采用的是差分信號(hào)傳輸方式。差分信號(hào)傳輸是一種使用兩個(gè)互補(bǔ)電信號(hào)進(jìn)行信息傳遞的方法。以高速CAN為例，不同的邏輯狀態(tài)通過(guò)CANH、CANL兩根信號(hào)線進(jìn)行傳輸，接收電路只對(duì)兩根信號(hào)線的信號(hào)差值進(jìn)行識(shí)別。理想狀態(tài)下，CAN總線的波形如圖1所示。

圖1

干擾信號(hào)一般以共模的形式存在，當(dāng)總線受到干擾時(shí)，兩根總線會(huì)同時(shí)受影響，但其差分電壓并不會(huì)受影響，如圖2所示。相對(duì)于單端信號(hào)傳輸方式來(lái)說(shuō)，差分信號(hào)傳輸方式具有更好的抗干擾能力。

圖2

當(dāng)然，采用了差分傳輸方式也并不可以高枕無(wú)憂。CAN、RS-485總線經(jīng)常用于遠(yuǎn)距離通信，線纜長(zhǎng)度的增加，各種干擾通過(guò)線纜耦合到總線上，極大地增加了外界對(duì)總線通信干擾的概率，如果線纜選用及使用不當(dāng)，極有可能造成通信異常。對(duì)于CAN、RS-485等總線應(yīng)用，一般我們會(huì)推薦使用雙絞線。

噪聲的耦合機(jī)理

要了解雙絞線的優(yōu)點(diǎn)，需要先理解干擾是如何影響到有用信號(hào)的。干擾(噪聲)一般通過(guò)耦合的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行影響，常見的耦合機(jī)制有4種，分別是傳導(dǎo)耦合、電容耦合、電感(感應(yīng))耦合以及輻射耦合。

干擾源與受干擾電路具有電氣連接，如共地，干擾源的電流流動(dòng)使公共部分形成電流并產(chǎn)生干擾電壓，從而對(duì)受干擾電路的信號(hào)造成影響，這種方式為傳導(dǎo)耦合。圖3為傳導(dǎo)耦合示意圖，Es是信號(hào)源，Zs是信號(hào)源內(nèi)阻，Zc是公共部分阻抗，Zl是負(fù)載阻抗，En為干擾源，Vl為負(fù)載電壓。干擾源En產(chǎn)生的電流流過(guò)Zc，在Zc上產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致Vl電壓變化，由此影響負(fù)載側(cè)的信號(hào)。

圖3

電容耦合出現(xiàn)在兩個(gè)鄰近導(dǎo)體存在變化的電場(chǎng)時(shí)，干擾電流通過(guò)導(dǎo)體間的耦合電容流入受干擾電路。由于耦合電容一般很小，其阻抗很大，故干擾源對(duì)于受干擾電路可看作一個(gè)恒定電流源，信號(hào)電路的阻抗較大時(shí)，影響特別明顯。圖4為電容耦合示意圖，Es是信號(hào)源，Zs是信號(hào)源內(nèi)阻，Cm是耦合電容，Zl是負(fù)載阻抗，En為干擾源，Vl為負(fù)載電壓。干擾電流通過(guò)Cm流入Zl，對(duì)Vl造成影響。

圖4

電感(感應(yīng))耦合出現(xiàn)在兩個(gè)平行導(dǎo)體之間存在變化的磁場(chǎng)時(shí)。干擾源電流流過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生磁通，磁通在受干擾電路導(dǎo)體中形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而影響受干擾信號(hào)。在這種情況下，噪聲可以看作一個(gè)恒定電壓源，因此在低阻抗電路中噪聲影響變大。圖5是感應(yīng)耦合的示意圖，Es是信號(hào)源，Zs是信號(hào)源內(nèi)阻，Lm是互感，Zl是負(fù)載阻抗，En為干擾源，Vl為負(fù)載電壓。干擾源En電流流過(guò)互感Lm，在受干擾電路形成電壓，對(duì)Vl造成影響。

圖5

輻射耦合出現(xiàn)在干擾源與受干擾器件距離較遠(yuǎn)的情況，干擾源及受干擾器件均作為無(wú)線天線，干擾源發(fā)送出干擾電磁波，而被受干擾器件接收。

雙絞線的優(yōu)點(diǎn)

雙絞線由兩根相互絕緣的導(dǎo)線相互纏繞而成，特別適合差分信號(hào)傳輸場(chǎng)合，與平行線相比，可以更有效地抑制干擾。

u消除電容耦合

相對(duì)于平行對(duì)線，雙絞線每根單線對(duì)干擾源或地的耦合電容值更加接近，阻抗更加平衡，如圖6所示。

圖6

由于雙絞線緊密纏繞在一起，兩根線與噪聲源之間的耦合電容、與大地之間的阻抗基本一致。噪聲源流入到兩根信號(hào)線的干擾電流基本相同，兩根信號(hào)線的差值不變，耦合電容的電流轉(zhuǎn)化為共模干擾。如圖7，耦合電容C1=C2，Z1=Z2，干擾源流入C1，C2的電流相等，即1、2兩個(gè)根線產(chǎn)生的電壓相等，Vn=0。由于差分信號(hào)傳輸方式具有良好的共模抑制能力，因此可以消除電容耦合的影響。

圖7

u消除電感(感應(yīng))耦合

若使用平行線，兩根信號(hào)線會(huì)形成一個(gè)很窄的環(huán)路，這個(gè)環(huán)路會(huì)拾取環(huán)境中的磁場(chǎng)干擾。雙絞線的結(jié)構(gòu)是以固定的間距扭轉(zhuǎn)傳輸線的兩個(gè)導(dǎo)體，使得由磁場(chǎng)引起的電動(dòng)勢(shì)方向在每個(gè)相鄰的“小環(huán)路”處反轉(zhuǎn)，因此可以順序地抵消。從電路上看，每個(gè)相鄰“小環(huán)路”處的互感對(duì)噪聲源來(lái)說(shuō)是一正一負(fù)的，導(dǎo)線整體互感變?yōu)榱恪Ｈ鐖D8所示，平行線受到外界磁場(chǎng)干擾時(shí)，兩根導(dǎo)線的感應(yīng)電流無(wú)法抵消，會(huì)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓，影響信號(hào)傳輸。而雙絞線的結(jié)構(gòu)使導(dǎo)線的感應(yīng)電流相互抵消，不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

圖8

u減少對(duì)外干擾

用于差分信號(hào)傳輸時(shí)，雙絞線兩根線的電流大小相等，方向相反。如圖9，理想狀態(tài)下，雙絞線兩線組成的每?jī)蓚€(gè)相鄰的“小環(huán)路”所形成的磁場(chǎng)方向相反，大小相等，可以相互抵消，故雙絞線對(duì)外的電磁干擾比平行線纜要小。

圖9

在差分傳輸應(yīng)用中，雙絞線不僅可以降低自身對(duì)外界的干擾，同時(shí)可以消除與外界干擾源的電容耦合和感應(yīng)耦合，具有一石二鳥的作用，因此雙絞線在諸如CAN、RS-485等差分信號(hào)傳輸?shù)膽?yīng)用中得到了廣泛使用。

上文均是基于理想的雙絞線進(jìn)行分析，但實(shí)際的雙絞線由于制作時(shí)絞合程度、絞合的偏差、線纜本身的寄生參數(shù)差異等，并不理想，所以在實(shí)際應(yīng)用中，雙絞線對(duì)噪聲抑制能力會(huì)減弱。

由于雙絞線的結(jié)構(gòu)并不能消除傳導(dǎo)耦合以及輻射耦合的干擾，在一些干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合，仍需要配合隔離技術(shù)和屏蔽技術(shù)以提高系統(tǒng)的抗干擾性能。隔離技術(shù)可以有效抑制傳導(dǎo)耦合形成的共模干擾，而屏蔽技術(shù)可以有效抑制輻射干擾。

在干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合，選用隔離收發(fā)器，并配合屏蔽雙絞線使用，會(huì)為CAN、RS-485應(yīng)用提供良好的抗干擾性能，保障通信的可靠性。