车辆用CAN总线电缆

车辆用CAN总线电缆 车辆用总线电缆王亚东霍焰匕京福斯汽车电线有限公司匕京摘要【关键词是目前车辆上应用最广泛的总线网络总线改变了传统的布线方式对于改善提升车辆控制性能具有重要意义。总线电缆作为车辆用数据电缆有别于传统汽车电线电缆和一般的数据电缆需要适应车辆的运行环境需要和同时满足总线传输的要求。本文对总线电缆的要求、结构、性能等进行了具体。总线电缆汽车汽车电子一、概述随着汽车电子技术发展和技术在新型汽车中大量使用当前所有电喷汽车都采用了微电脑控制的发动机电子控制单元 简称在高档车型中也大量采用各种诸如仪表总成、舒适系统、自动空调、、自动变速箱、气囊、音响、电动座椅等。目前比较流行的一汽大众宝来最高端车型一共配备了块不同的。在这样状态下各种控制单元和传感执行器之间的数据交换尤为重要。控制器局域网是一个串行的异步的多主机的通讯协议是德国博世公司在世纪年代为了解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的。的作用是用于汽车以及其他工业 对数据完备性和应用中将多个电子控制模块连接起来。专门针对汽车应用的 数据速度的要求很高其速率可达。它的短帧数据结构、非破坏性总线性仲裁技术以及灵活的通讯方式适应了汽车的实时性和可靠性要求。我国引进技术生产的宝来、奥迪、波罗、帕萨特、赛纳、派丽奥、西耶纳、哈飞赛马等都使用了总线网络技术。在汽车环境中按照网络通讯的性质网络可以分为两大类。车身控制网络如针对乘员舒适性和便利性的系统所处理的信息范围广但是对顺序和频率没有特别的要求。相反动力系统网络传递的信息是发动机控制和变速箱控制的有关信息需要处理的信息量较少但是对信息要求速度快而且要有规则。不同的网络具有不同的功能需求并非所有的网络都是一样的。这种差别导致需要设计不同的硬件和软件系统来应对不同网络系统的需要。协议与所有主要的网络协议一样需要一个物理层设备来实现通讯。在过去的十年中有两种主要的物理层设计被使用并成为大部分总线应用中的基本物理层设计。这两种设计都采用双绞线电缆通常称为高速物理层和低速物理层。当两条线中有一条线由于短路或断路出错时低速物理设备可以变为单线运行模式。由于要实现这一功能对电路的特殊要求这一功能在总线速度超过时将很难实现。这就是把作为低速和高速分界线的原因。通用汽车公司最近开发了一种新的物理层。这种物理层从始至终都使用一条电线其速度限制在。这种单线总线物理层与上面两种形式的物理层有很大差别尚未被广泛接受。目前对于物理层要求国际组织和汽车工程协会为欧洲和美国建立了相关标准以确保物理层设备的通用性。表欧洲与美国的标准标准名称比特率传输媒介应用领域—芯双绞线一般高速分布功能芯屏蔽双绞线重型卡车大客车芯屏蔽双绞线。带、农机’供电—‘芯非屏蔽双绞线重型卡车大客车芯非屏蔽双绞线汽车一高速运动控制芯汽车一低速人工控制虹芯屏蔽双绞线带供电航海芯屏蔽双绞线带工厂自动化供电一芯双绞线屏蔽任选?电源线任选工业自动化医学其他芯屏蔽双绞线电源线工厂自动化任选容错芯非屏蔽双绞线独立通信布线二、总线的传输特性和要求。网络布局汽车总线网络的传输媒介主要有双绞线电缆、同轴电缆、带形电缆和塑料光缆等目前总线主要采用双绞线双绞线成本低端接方便传输性能优良。的双绞线主要由根导线组成有屏蔽和非屏蔽两种这根导线 分别被称为和采用对称的电流驱动另外对于屏蔽电缆还有一根接地泄流线称为。网络采用总线型网络布局见图由一条中枢电缆形成主干线路每个由一个短的分枝电缆连接到中枢网络。中枢电缆的两端要端接匹配的终端电阻器电阻的值为。图总线型网络布局表的网络布局参数’参数符号最小值额定值最大值单位总线长度电缆短线长度节点距离从起的最小距离 注??为主要传输参数和要求总线的传输质量主要决定线路传输参数——衰减常数扣——相位常数——传播速率这些传输参数属于二次参数的基本物理参数一次参数包括一电阻电感卜电容二次参数决定于一次参数和信号频率。一次参数是传输线一绝缘电导。一一、心一次参数决定于电缆物理结构和介质。几种总线的协议和标准都定义了总线物理层和要图传输线的等效电路求这包括一些二次参数和一些一次参数。参见表表总线特性要求参数单位指标特性阻抗、单位导体直流电阻传输速率单位线延迟导体间单位电容导体对屏蔽间单位电容屏蔽效率表面转移阻抗 佣总线长度。二次参数和一次参数的关系。’根据传输线理论二次参数可以通过一次参数求得。在高频时捂。忆、、『石缆?以万缈一—一次参数的计算一次参数与导体直径、线间距离和绝缘介质等物理结构和材料有关对于无屏蔽的电——兰旦——黝式中——回路两导线中心间距离。——导电线芯直径姗广组合绝缘介质的等效相对介电常数。多根绞合导体修正系数绞合导体单丝根数’。图无屏蔽双绞线结构示意图对于屏蔽电缆———下瓦丽 型堡二生瓦。图屏蔽双绞线结构示意图——回路两导线中心间距离衄——导电线芯直径珊广组合绝缘介质的等效相对介电常数——多根绞合导体修正系数电缆屏蔽的内径。阻抗的分析、。’根据电感和电容的可以求得特性阻抗和结构的关系对于无屏蔽的电缆居考等六对于带屏蔽的电缆后万面而这样看来影响特性阻抗值和工作电容的都是绝缘外径外径可以看成和导线间距相等、导体直径、组合绝缘介质的等效相对介电常数。只要控制好了尺寸和的值也就能控制好了和在尺寸不变的情况下采用不同绝缘材料和变化较大增大电容增大特性阻抗减小绝缘外径增大电容减小特性阻抗增大。因为特性阻抗是一个比较难于测量的参数但在材料的相对介电常数不变的情况下可以通过测量和控制工作电容来估算出特性阻抗。工作电容和特性阻抗成反比。如一些材料如聚烯烃、氟塑料的介电常数非常稳定。所以只要控制好结构尺寸工作电容和特性阻抗是均匀的稳定的而且比值恒定。即广型以上只是从理想状态中分析特性阻抗。而实际生产控制中单线导体和外径的均匀性对的波动也是很重要绞对和成缆的节距及节距的稳定性对特性阻抗也有很大影响屏蔽层的松紧度及松紧的均匀性、厚度等也会很大程度的影响特性阻抗。一’特性阻抗是由它与外界阻抗的匹配要求和它本身在各个方面与衰减性能的相反性而决定的。特性阻抗不好一方面说明自身均匀性不好同时和终端器件难于匹配造成衰减增大和和反射干扰。所以总线的电缆有求具有的特性阻抗而且总线的中枢两端还要求端结匹配的终端电阻。防止信号的反射。传播速率的分析’根据电感和电容的公式特性阻抗可以近似用下列公式求得笔坚桃心从以上公式可以看出信号的传播速度和绝缘介质的等效介电常数有关介电常数越大传措运发怒、电憾、吸征至甲传描 则。即为光速实际应用中经常用信号在网络中的传播速度和光速的百分比称为传输速率在介质中的传输速率小于。咋去四另外常用的参数是单位线延迟单位线延迟是信号传播速率的倒数”瓜土卓厄拍’’’’从上式可以看出总线的线延迟和总线介质的介电常数有关如果介质的介电常数过高必然造成延迟增大网络规模缩小。总线一般规定为相当于传输速率为根据上式计算等效的相对介电常数应在以下这大致相当于普通聚乙烯的介电常数。一般高频线缆都不采用聚氯乙烯是因为聚氯乙烯混合物介电常数大且不稳定所以工作电容和特性阻抗难于控制而且单位线延迟太大。等效介电常数的分析为了降低电缆内介质的等效介电常数一方面应尽量采用低介电容量的材料再就是尽量减少固体绝缘介质在物理结构中的构成比例如对材料进行发泡处理。在同轴电缆中所有的电场都驻留在电缆内外导体之间的区域等效介电常数就是绝缘材料的介电常数。对于双绞线导体间的电场弯曲成拱形曲线除固体绝缘介质外主要填充的是空气。其等效介电常数是空气的相对介电常数和绝缘材料的介电常数之间的一个均值。现代汽车电缆为了满足复杂的汽车环境要求越来越趋向采用共混改性材料造成介电常数的增大和不稳定。对于电缆的阻抗和线延迟会造成很大影响。用于数据电缆的绝缘材料应保证合适的介电常数和公差。三、总线电缆的结构导体和一般总线不同汽车电线导体必须采用多根绞合结构以便提高其抗弯折能力但这样对其传输效果有一定影响。导体尺寸根据不同的标准选用到。到。直流电阻从到之间导体尺寸主要影 要求选择相应尺寸的响导体电阻而导体电阻将影响接收信号的电压应根据不同的 导线。绝缘结构对于绝缘材料传统汽车电线是采用由于的介电损耗较大不适应高频传输所以应采用、等低损耗材料。”基于强度和提高耐热性考虑倾向通过辐照交联以改善性能而为了降低材料介电损耗提高传输速度也趋向还要使用发泡技术绝缘?近年来发泡技术发展很快化学发泡因其添加化学极性物质造成损耗加大发泡不均匀介质强度差而已经趋于淘汰物理发泡成为制造高频电缆绝缘的主流技术。目前物理发泡能够作到发泡均匀细腻呈蜂巢型分布机械强度降低小填入的氮气稳定性好还可以增加材料耐燃性可以有效降低介质的相对介电常数并保持材料基本性能。氟塑料具有较高的耐热性、阻燃性、机械强度和耐磨性特别适合汽车内环境而且还具有优异的介电性能介电损耗比通常的还小。表主要绝缘材料一览表材料代号材料名称耐热温度?介电常数一聚氯乙烯聚乙烯——发泡聚乙烯聚丙烯——发泡聚丙烯聚全氟乙丙烯乙烯一四氟乙烯共聚物—交联聚乙烯发泡交联聚乙烯绞合汽车内电气传输方式般分为不对称传输和对称传输两种汽车电路多数是单线制回路采用公共接地网络信号的传输是不对称的这是因为汽车上很多信号仍是低频或低速率的其信号并非很容易引起发射或受到于扰而且汽车上的布线空间非常紧张这样的信号以单根导线传送可以节省成本减少空间占?谩,诖涓咚俾实男藕攀葑芟咭话阌Σ捎枚猿苹芈贰,猿拼溆梢欢远猿频乃氏咝纬苫芈贰,氏咧械慕屎舷叨栽诳梢钥孔陨淼慕屎侠吹挚雇饫锤扇偶跋叨灾涞拇舳蚁呗肪刃愿咦杩咕热菀缀蜕璞钙ヅ洹,碧匦宰杩乖诨チ缋碌娜ど隙急,趾愣ㄇ仪突蚴涑鲎杩乖炊撕透涸囟擞胩匦宰杩蛊ヅ涫本托纬闪耸芸刈杩沟拇湎哒庵执湎卟换岱?痴瘛导线的固有电感与电容也不会带来太多问。可以有效降低反射衰减和噪音。无屏蔽电缆特别规定了双绞线的节距要求在单位长度的扭节越多即节距越短抗干扰性能越好。双绞线的扭节数每米在到个之间一相当 于一咖节距。规定的节距为一啪。’×××××××××××××××图双绞线的节距和耦合电流示意图屏蔽方式在外界干扰较大时仅靠线对绞合已无法达到抗干扰的目的必须屏蔽才能够抵抗外界干扰。所谓屏蔽就是利用金属材料将干扰源和被干扰线路隔开并借以减弱干扰电磁场的种方法。按屏蔽的作用原理电缆的屏蔽分为静电屏蔽、静磁屏蔽和电磁屏蔽。静电屏蔽的作用是使电场终止于屏蔽的金属表面上并将电荷送入地其效果和接地质量有关。静磁屏蔽的作用是使磁场限制于屏蔽内它是由强磁材料制成。静电屏蔽和静磁屏蔽只在低频下有效频率增高需采用电磁屏蔽。电磁屏蔽的原理由电磁波的反射衰减和屏蔽层内能量损耗造成。既反射屏蔽和吸收屏蔽。主要的屏蔽方式有如下几种。?编织屏蔽编织屏蔽在保持良好的柔韧性和抗弯曲性的同时提供了较好的结构稳定性。这种屏蔽对于降低低频干扰是理想的选择比起箔层屏蔽来说降低了屏蔽直流电阻。编织屏蔽在音频以及射频范围都非常有效。通常网状屏蔽覆盖率越高屏蔽效果就越好。编织网屏蔽层在多数频率范围内都比箔带要好得多。但当频率超过时其性能逐渐变差。。、缠绕屏蔽是一种螺旋形屏蔽这种屏蔽柔软性好密度高屏蔽效果和编织网状屏蔽相当。且节省铜材端接容易生产效率高。但结构不如编织网状屏蔽稳定。不适合较大直径电缆的屏蔽。箔层屏蔽箔层屏蔽是由聚酯或聚丙烯薄膜上附着一层铝箔形成。这层薄膜给屏蔽提供了机械强度及良好的绝缘性能。箔层屏蔽可覆盖电缆。由于它们的体积小箔层屏蔽可用于多对数电缆的单线对屏蔽以减少相互的串扰。箔层屏蔽重量轻、体积小比网状屏蔽造价低在射频范围内通常更加有效。箔层屏蔽比起网状屏蔽的柔韧性更好但抗挠寿命较短。与箔层屏蔽一起使用的接地线使端接更加容易并将静电释放入大地。、。组合屏蔽组合屏蔽包括多层屏蔽。它们能够在整个频谱提供最大的屏蔽效果。箔层网状屏蔽结合了箔层屏蔽的覆盖范围与网状屏蔽的机械强度和低直流电阻等优点且容易接地屏蔽效果比较理想。屏蔽也有反作用屏蔽会使内部电磁波发生反射使传输的电磁场发生改变造成干扰从而使线路的衰减增大电容增大而阻抗减小。为了弥补屏蔽造成的影响可能会增大电缆的尺寸从而使电缆的成本增加加之屏蔽材料自身的成本所以屏蔽电缆比无屏蔽电缆贵得多。电缆护套电缆护套对双绞线具有稳定结构保护免受外界损害的作用护套材料应有一定的耐机械性能一定的机械强度一定的耐燃烧性能以适应外界环境的变化需要。护套要求可参见。?‘、常用的护套材料有聚氯乙烯和聚氨酯?、聚烯烃弹性体等。总线电缆结构性能常用的结构参数见表。表总线电缆结构表导体绝缘电缆传输线耐热规格绝缘护套电容直径直径屏蔽外径速率延迟温度材料材料?? 】 四、总线电缆性能测试总线电缆的性能测试包括传输性能和机械、物理、环境性能两部分有关要求可参见标准 其中机械、物理、环境性能和一般的汽车电缆相当对于传输性能测试要求叙述如下阻抗’阻抗测试一般采用阻抗分析仪带有用来将的不对称输入转换成电缆要求的标称阻抗的对称输出阻抗匹配对称不对称转换器。如果使用不对称方法来测量评价对称电缆的话就要使用不对称转换器。??’测试过程是将不对称转换器的不对称输入连接到阻抗分析仪上。将阻抗分析仪的频率设置到。测量校准电阻的电阻值约等于的值。将校准电阻连接到不对称转换器的对称端子上并记录阻 抗读数约等于。将试样连接到不对称转换器的对称端如果需要将屏蔽连接到分析仪的接地端。在信号线芯开路的情况下测量阻抗值并记录为。将信号线芯短路并记录此时的阻抗值为。用下面的公式来计算特性阻抗值鱼压丽足其中一电缆的计算特性阻抗『—校准电阻的测量值广一校准阻抗的测量值一式验线芯开路时测量的阻抗值貉——试样线芯短路时测量的阻抗值。电容电容试验装置为阻抗分析仪或与其相当的装置在条件下测量。为了消除杂散电容的影响。测量试样的长度。约。双绞线——在两个线芯间测量电容屏蔽双绞线——在两个线芯之间测量电容。一个线芯与屏蔽之间的电容另外一个线芯与屏蔽的电容。将试样整理成长重复上述过程。测量试样长度线芯间电容谨线芯与屏蔽间电容和。并用下面的公式计算电缆的单位电容——血二刍——一三厶一厶。厶一厶其中一单位电容—一线芯与屏蔽之间的单位电容一线芯与屏蔽之间的单位电容——试样长度为时线芯或导体之间的电容—一式样长度为时线芯或导体之间的电容—— 时线芯与屏蔽之间的电容旷叫样长度为时线芯与导体之间的试样长度为 电容广—试样长度为时线芯与屏蔽之间的电容试样长度为时线芯与屏蔽之间的电容——首次试样长度一第二次试样长度。单位线延迟单位线延迟使用网络分析仪测量。过程按照。在条件下用网络分析仪测量相位常数。使用下面的公式计算线延迟一×卢一一跳其中?——角频率弧度每秒—— ——线延迟叫式样长度。屏蔽效率屏蔽的性能可由屏蔽相位常数弧度 体的直流电阻、屏蔽的转移阻抗和屏蔽衰减来保证。屏蔽直流电阻适用于传输频率不大.