CAN、RS-485為什么要用雙絞線

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總線通信的影響。對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，本文將簡單地介紹一下雙絞線抗干擾的原理。

差分信號傳輸

CAN、RS-485 接口采用的是差分信號傳輸方式。差分信號傳輸是一種使用兩個互補電信號進(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 CANH、CANL 兩根信號線進(jìn)行傳輸，接收電路只對兩根信號線的信號差值進(jìn)行識別。理想狀態(tài)下，CAN?總線的波形如圖 1 所示。

干擾信號一般以共模的形式存在，當(dāng)總線受到干擾時，兩根總線會同時受影響，但其差分電壓并不會受影響，如圖 2 所示。相對于單端信號傳輸方式來說，差分信號傳輸方式具有更好的抗干擾能力。

當(dāng)然，采用了差分傳輸方式也并不可以高枕無憂。CAN、RS-485 總線經(jīng)常用于遠(yuǎn)距離通信，線纜長度的增加，各種干擾通過線纜耦合到總線上，極大地增加了外界對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。對于 CAN、RS-485 等總線應(yīng)用，一般我們會推薦使用雙絞線。

噪聲的耦合機理

要了解雙絞線的優(yōu)點，需要先理解干擾是如何影響到有用信號的。干擾（噪聲）一般通過耦合的方式對系統(tǒng)進(jìn)行影響，常見的耦合機制有 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，干擾源的電流流動使公共部分形成電流并產(chǎn)生干擾電壓，從而對受干擾電路的信號造成影響，這種方式為傳導(dǎo)耦合。圖 3 為傳導(dǎo)耦合示意圖，Es 是信號源，Zs 是信號源內(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 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。

電容耦合出現(xiàn)在兩個鄰近導(dǎo)體存在變化的電場時，干擾電流通過導(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，故干擾源對于受干擾電路可看作一個恒定電流源，信號電路的阻抗較大時，影響特別明顯。圖 4 為電容耦合示意圖，Es 是信號源，Zs 是信號源內(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 Cm 流入 Zl，對 Vl 造成影響。

電感（感應(yīng)）耦合出現(xiàn)在兩個平行導(dǎo)體之間存在變化的磁場時。干擾源電流流過導(dǎo)體產(chǎn)生磁通，磁通在受干擾電路導(dǎo)體中形成感應(yīng)電動勢，從而影響受干擾信號。在這種情況下，噪聲可以看作一個恒定電壓源，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 是信號源，Zs 是信號源內(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 電流流過互感 Lm，在受干擾電路形成電壓，對 Vl 造成影響。

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

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

u 消除電容耦合

相對于平行對線，雙絞線每根單線對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。

   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線的干擾電流基本相同，兩根信號線的差值不變，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 兩個根線產(chǎn)生的電壓相等，Vn=0。由于差分信號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。

u 消除電感（感應(yīng)）耦合

若使用平行線，兩根信號線會形成一個很窄的環(huán)路，這個環(huán)路會拾取環(huán)境中的磁場干擾。雙絞線的結(jié)構(gòu)是以固定的間距扭轉(zhuǎn)傳輸線的兩個導(dǎo)體，使得由磁場引起的電動勢方向在每個相鄰的“小環(huán)路”處反轉(zhuǎn)，因此可以順序地抵消。從電路上看，每個相鄰“小環(huán)路”處的互感對噪聲源來說是一正一負(fù)的，導(dǎo)線整體互感變?yōu)榱恪Ｈ鐖D 8 所示，平行線受到外界磁場干擾時，兩根導(dǎo)線的感應(yīng)電流無法抵消，會產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓，影響信號傳輸。而雙絞線的結(jié)構(gòu)使導(dǎo)線的感應(yīng)電流相互抵消，不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

減少對外干擾

用于差分信號傳輸時，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兩個相鄰的“小環(huán)路”所形成的磁場方向相反，大小相等，可以相互抵消，故雙絞線對外的電磁干擾比平行線纜要小。

在差分傳輸應(yīng)用中，雙絞線不僅可以降低自身對外界的干擾，同時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，但實際的雙絞線由于制作時絞合程度、絞合的偏差、線纜本身的寄生參數(shù)差異等，并不理想，所以在實際應(yīng)用中，雙絞線對噪聲抑制能力會減弱。

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