عنوان پایان‌نامه
طراحی فیلتر پسیو برای خطوط I/O مدارات دیجیتال به منظور حذف نویز EMI برای پروتکل ارتباطی CAN درخودرو
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-الکترونیک-مدار وسیستم
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 3100;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79847;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 3100;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79847
- تاریخ دفاع
- ۳۱ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- محسن ملکی
- استاد راهنما
- ناصر معصومی
- چکیده
- یکی از پروتکل‌های ارتباطی صنعتی که به طور گسترده در انواع وسایل نقلیه مورد استفاده قرار می‌گیرد، پروتکل CAN می‌باشد. مزایای برجسته این پروتکل و کاربرد وسیع آن در صنعت، سازندگان پردازنده‌های دیجیتال و میکروکنترلرها را به سمت تولید محصولات سازگار با این پروتکل سوق داده است. با بالا رفتن فرکانس کاری سیستم‌های دیجیتال و به تبع آن کم شدن زمان صعود سیگنال‌ها تا مقادیر زیر نانو ثانیه، تشعشعات الکترومغناطیسی ناشی از این سیستم‌ها به چالش جدی در طراحی آن‌ها تبدیل شده است. از طرفی مسأله تداخل الکترومغناطیسی یکی از مسائل مهم در حوزه الکترونیک خودرو محسوب می‌شود. یکی از راه‌های مقابله با تداخل الکترومغناطیسی استفاده از فیلتر EMI می‌باشد. فیلترهای EMI به سه دسته غیرفعال، فعال و هایبرید تقسیم‌بندی می‌شوند. این فیلترها برای حذف دو نوع نویز مد تفاضلی و مد مشترک به کار گرفته می‌شوند. در این پایان‌نامه، مفاهیم بنیادی در حوزه فیلترهای EMI، شامل روش آزمایش و الگوریتم طراحی فیلترهای مذکور و نیز چالش‌های آن‌ها با تمرکز بر چالش حذف آثار پارازیتی فیلترها بیان می‌شوند و راه‌کار‌های کاهش آثار EMI بر باس CAN مورد بحث قرار می‌گیرد. با معرفی پروتکل CAN در خودرو، ساختار سیستمی و پروتکل‌های مختلف لایه فیزیکی آن، به استخراج طیف سیگنال باس CAN با استفاده از مدل IBIS پایه‌های فرستنده/گیرنده CAN با فرض بیشترین نرخ تغییر در توالی بیت‌ها، می‌پردازیم. با در نظر گرفتن یک سیستم باس CAN نمونه با 5 گره که یکی از گره‌های آن به عنوان فرستنده و 4 گره دیگر به عنوان گیرنده عمل می‌کند، اثر نویز EMI بر گره‌های باس مذکور و فرستنده/گیرنده آن‌ها، بررسی می‌شود. برای این منظور، در ابتدا با استفاده از مقالات و برگه اطلاعات چند فرستنده/گیرنده، یک مدل برای فرستنده/گیرنده CAN در حالت کاری غالب و مغلوب ارائه می‌شود. برای استخراج مقادیر پارامترهای مدل مذکور از نتایج اندازه‌گیری امپدانس خطوط CAN در حالت کاری غالب و مغلوب گزارش شده در مراجع استفاده می‌گردد. از یک مدل القاء برای لحاظ کردن اثر میدان خارجی به عنوان EMI استفاده می‌شود. در این مدل از منابع ولتاژ و جریان وابسته به میدان خارجی استفاده می‌گردد. در گام بعدی، طراحی فیلتر EMI غیرفعال برای یکی از گره‌های سیستم باس CAN مذکور انجام می‌شود. انتخاب پیکربندی و طراحی فیلتر مذکور با در نظر گرفتن امپدانس منبع نویز، امپدانس بار، قواعد کلاسیک طراحی فیلتر و استخراج تلف جای‌گذاری مورد نیاز و واقعی از طیف نویز EMI انجام می‌گردد. برای این منظور، با مشخص شدن امپدانس بار و منبع و معلوم شدن طیف سیگنال مطلوب و طیف نویز، تقریب فیلتر انجام می‌شود. در گام بعدی با تجزیه ماتریس تبدیل فیلتر، سنتز اولیه فیلتر انجام می‌گردد. با استفاده از تکنیک تغییر تراز امپدانسی و تکنیک تغییر مقیاس، مقادیر قطعات فیلتر اصلاح شده و سپس با جبران‌سازی قطعات فیلتر با توجه به امپدانس بار و منبع، سنتز نهایی فیلتر انجام می‌گردد. در مرحله بعدی، با استفاده از فیلتر طراحی شده، سیستم باس CAN در دو حالت فرستنده غالب و مغلوب مورد شبیه‌سازی قرار می‌گیرد. فیلتر طراحی شده، فیلتر باترورث درجه 3 است که به وسیله آن، دامنه نویز در گیرنده گره 5 از V 2/67در حالت فرستنده مغلوب به V0/26 یعنی تا %9/7 و از V2/54در حالت فرستنده غالب به V0/19 یعنی تا %7/4 کاهش می‌یابد. با توجه به کم‌تر بودن مقادیر مذکور از 0/5 ولت، تغییر سطح سیگنال مطلوب CAN، منجر به خطا در گیرنده نمی‌شود.
- Abstract
- CAN protocol is one of the industrial protocols which is widely used in different types of vehicles. Dominant advantages of the protocol and its wide usage in industry directed microcontroller and DSP Manufacturers to produce CAN compatible products. By increasing the digital systems clock frequencies and then decreasing the rise time of the signals to sub nanoseconds, electromagnetic radiations emitted from these systems have been a serious challenge in designing such systems. On the other hand, electromagnetic interference is one of the important issues in the automotive electronics area. Using EMI filters is one of the ways to mitigate electromagnetic interference. EMI filters are classified into passive, active and hybrid filters. They are used for eliminating differential and common mode noise. In this research, fundamental concepts of EMI filters, including test setups, the design procedure and their challenges by focusing on canceling the filter parasitic, are described. The ways to reduce the EMI effects on CAN bus is considered. After introducing the CAN protocol in automotive, its structure and different physical layer protocols, the CAN bus signals spectrum is derived using the IBIS models of the CAN transceiver pins by assumption of maximum alteration in bit sequences. Considering a typical 5 node CAN bus system, which one of its nodes as a transmitter and four else as receivers, EMI effect is studied on the bus nodes and their transceivers. To do this, first, a model for CAN transceiver in dominant and recessive state is presented using papers and transceiver datasheets. CAN lines impedance measurement results in dominant and recessive state, reported in references, are used to extract the model parameters. An induction model is utilized to consider external field effect as EMI. Voltage and current sources related to external field are used in this model. EMI filter is designed for one of the CAN bus system nodes in the next step. The filter is designed considering the noise source impedance, the load impedance, filter design classic rules and required and actual insertion loss extracted from EMI noise spectrum. Then, the filter is approximated revealing the load and source impedance and by knowing noise and desired signal spectrum. Afterwards, the primary filter is synthesized by filter conversion matrix decomposition. Filter component values is modified using impedance level conversion technique and scale changing technique. Then, filter synthesis is finalized by compensating filter components considering load and source impedance. Next, CAN bus system is simulated when the transmitter is in dominant and recessive state implementing the designed filter. The designed filter is third order butterworth filter which reduces the noise level at fifth node from 2.67V to 0.26V when transmitter is in recessive state and from 2.54V to 0.19V when transmitter is in dominant state. Change in desired CAN signal level doesn’t lead to error in receiver according to lower values of noise levels from 0.5V threshold. Keywords Electromagnetic Interference (EMI); passive EMI filter; Controller Area Network (CAN); CAN transceiver; IBIS model; Insertion loss
