一种特殊用途的控制器局域网用数据总线电缆的研制

张立伟

（南京全信传输科技股份有限公司，南京 211113）

1 引言

现场总线（Field Bus）技术是采用一条通信线路将所有设备串联起来（即串行通信方式），每个设备控制单元靠标识码参与信息交换与命令传递，避免了DCS（集散控制系统）方式的星形布线量大、通信距离短等固有性质所造成的各种麻烦。可以说，现场总线技术在工业过程控制领域的成功应用，是自动化领域技术进步的一个重要里程碑。应用成熟的总线技术，用一根双绞总线电缆代替原有的众多信号线，大大简化信号线的布线复杂性，减少连接电缆的种类和数量，节约制造成本。

受用户单位委托接到科研项目任务，为某重点工程项目配套而研制一种控制器局域网用数据总线电缆。电缆要求：除要达到总规范CAN总线技术指标要求，同时还要具有外径小，重量轻，可靠性高，具有耐磨、抗拉、低温柔软等特性。而且适用于耐腐蚀性等海洋气候。

具体技术指标如表1。

表1 技术协议指标要求

2 方案设计

2.1 设计依据及原理

根据技术协议内容和参照总规范ISO 11898-1995道路车辆的高速控制局域网数字交换标准中关于物理传输介质的有关规定，进行如下思路设计：

（1）按照总规范要求，传输电缆采用CAN_H和CAN_L双导体结构，电缆选择两芯双绞结构。

（2）阻抗的要求范围120Ω±12Ω。（3）双绞电缆外需要总屏蔽层。

（4）根据技术协议要求直流环阻不大于 186欧姆/公里，根据用户使用情况，选择0.2mm2截面。

（5）根据XXX工程使用要求，要求产品耐磨损性好，外径小，重量轻，可靠性高，具有低温柔软性，适应航空航天系统环境要求，且耐腐蚀性等海洋气候。

2.2 结构图设计

根据以上设计思路确定了两种设计方案，结构图见图1所示。

图1 方案一结构示意图

图2 方案二结构示意图

2.3 结构尺寸设计

（1）结构形式对比见表2。

根据以上方案的结构，计算的综合介电常数基本相同，电性能参数亦基本相同，并都能满足技术协议要求；方案一在电性能，尤其是衰减方面稍微具有优势。

（2）两种方案的结构设计及性能计算（见表3～4）。

2.4 方案优缺点分析比较

课题组对上述两种设计方案进行了充分地论证，比较方案的优点和局限性如下：

表2 方案对比

表3 方案一的结构尺寸

表4 方案二的结构尺寸

方案一优点：在具备高精度物理发泡挤出设备的情况下，适于大批量生产，产品一致性较好。设计出的电缆外径可以进一步减小，衰减等指标可以更优。

方案一局限性：需要高精度物理发泡挤出设备，经走访查询，国内具有挤出如此小外径的物理发泡设备不多，而且调试较好并稳定运行的更少。实施的可行性较差。许多厂家采用化学发泡的方法挤出代替，产品稳定性不易保证。产品绝缘为发泡结构，反复弯曲后出现压痕，造成结构变形，电气性能方面受到影响。适于固定使用。

方案二优点：在目前挤出设备条件的情况下，加工相对容易。结构中由于内层聚乙烯绝缘和聚乙烯管在挤出中粘接性较好，结构比较稳定，多次弯曲后结构不易变形，适于移动场合使用。

方案二局限性：结构相对复杂，技术操作工人需要较高的挤出加工经验，设计专用挤管模具。

课题组经过认真分析、研究，并听取有关电缆专家的建议，确定在第二种方案基础上进行部分调整、精心设计，以满足要求。

3 参数计算

3.1 直流环阻R0

公式

其中，ρ为20℃时导电材料电阻系数Ωmm2/m；L为导线长度m，取1km；λ1为线芯绞入率，λ1取1.01；λ2为对绞绞入率，单根导线λ2取1.0；双绞线λ2取1.01；S为导电线芯截面mm2。

3.2 绝缘电阻R i

公式其中，ρV为20℃时绝缘材料体积电阻系数Ω·cm，ρv取1017Ω·cm；L为电缆长度km，取1km；D为绝缘外径（mm）；d为导体线芯直径（mm）。

3.3 试验电压V试

公式

其中，E为最大允许的电场强度 kV/cm，取140kV/cm；d。为导电线芯直径mm；D。为绝缘单线外径mm；K1为导电线芯有效直径系数；K3为电压梯度系数。

3.4 电容

公式

其中，rε为相对介电常数；d为导电线芯直径mm；K1为导电线芯有效直径系数；K2为绞入率；a为两线芯之间中心距mm； 'D为屏蔽内径mm。

3.5 阻抗

其中，d为内导体直径，a为两导体中心距mm；Dε为相对介电常数；K3为编织引起的系数，一般取0.98～0.99；DS为屏蔽内径mm；

3.6 衰减

其中，f为频率（Hz）；de为绞线导体电气等效直径mm，de=K1d，K1内导体有效直径系数。d为绞线导体的外径（mm）；Ds为屏蔽内径（mm）；a为对称电缆导体的中心距mm；Dε为相对介电常数；Dtgδ为等效介质损耗角正切值；Kρ1，Kρ2为内、外导体相对标准软铜电阻系数。Ks为绞线导体的电阻系数（一般取 1.25）；KB为外导体为编织时，引起射频增大编织效应系数；K3为编织对阻抗的影响系数，一般取0.98～0.99。

3.7 延迟时间

Dε为相对介电常数

3.8 其他

拉断力、重量等指标等均能满足技术协议要求。

4 结果

4.1 计算数据

导体7/0.2；绝缘外径1.5mm；导体间距1.5mm；绞入率1.01；绝缘管外径（即屏蔽内径）3.8mm；首先按并联计算，电缆对绞线芯后等效介电常数：ε=1.75；然后再按串联计算，电缆挤出绝缘管后的等效介电常数：ε=1.95。不同频率下电性能参数见表5。

表5 不同频率下的电性能参数

4.2 测试结果

国内未见有生产该类产品的厂家，目前国外德国LAPPKABLE公司有类似产品，但结构和本项目产品完全不同。性能指标对比见表6。

表6 设计的产品与国外样品对比表

5 结论

（1）由于该产品采用独特结构设计，满足特殊使用环境要求。

（2）该产品结构及其稳定，2000次反复弯曲后无任何变形及压痕，电气性能良好，而国外产品为方案一的类似结构，经过几次弯曲后绝缘表面即有明显痕迹。

（3）经权威信息技术研究所国内、外查新检索表明：在国内没有发现与本产品相同或相似的总线电缆。并已经申报国家实用新型专利。

（4）国外该类总线电缆结构上与本项目产品完全不同，仅仅是为汽车行业配套使用的，不适于特殊领域高可靠性等特殊环境要求。

（5）项目产品基于控制器局域网总线制提供一种耐低温、柔软性好、弯曲寿命长、阻抗电容等稳定性好、衰减低，而且体积小、重量轻的总线电缆。

（6）该产品经用户测试和使用，达到技术协议指标，满足使用要求，感觉比较满意。