อุปกรณ์และระบบที่ทันสมัยในปัจจุบัน มักจำเป็นต้องใช้ชุดควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อนสูง เข้ากับส่วนขับเคลื่อน (เช่น มอเตอร์ แบตเตอรี่ และรีเลย์) ซึ่งมักสร้างสัญญาณรบกวนในปริมาณมาก โดยทั้งหมดนี้อยู่ภายในพื้นที่การติดตั้งที่จำกัด ด้วยเหตุนี้ แผนการเดินสายไฟ (Wiring Layout) จึงต้องพิจารณาถึงผลกระทบจากสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Interference: EMI) เป็นอันดับแรก ๆ ตั้งแต่ขั้นตอนเริ่มต้นของการออกแบบ เราจะนำเสนอแนวทางปฏิบัติ เพื่อช่วยให้การสื่อสารผ่านเครือข่าย CAN (CAN Bus) ได้อย่างปลอดภัยและน่าเชื่อถือ แม้จะอยู่ภายใต้สภาพแวดล้อมที่ท้าทาย
การสื่อสารแบบพาสซีฟและการปกป้องอุปกรณ์
การลดผลกระทบจากสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) สามารถทำได้ง่าย ๆ โดยสิ่งที่ต้องทำ ได้แก่
1. ปรับความยาวของสายเคเบิลให้เหมาะสม
เครือข่าย CAN มีโครงสร้างพื้นฐานแบบเส้นตรง (Bus Topology) ซึ่งโหนดหรือผู้เข้าร่วมในระบบทั้งหมดจะถูกเชื่อมต่อเข้าด้วยกันแบบขนาน ซึ่งเครือข่ายลักษณะนี้ จำเป็นต้อง ได้รับการติดตั้งตัวต้านทานปลายสาย (Termination Resistor) ขนาด 120 โอห์ม ไว้ที่ปลายสายทั้งสองด้านของเครือข่ายเสมอ นอกจากนี้ การจัดเส้นทางการเดินสายไฟอย่างชาญฉลาดและรอบคอบ จะช่วยลดความยาวรวมของสาย รวมถึงช่วยลดความเสี่ยงในการเปิดรับสัญญาณรบกวนที่ไม่พึงประสงค์ได้เป็นอย่างดี
2. การจัดเส้นทางสายไฟ, ประเภทสายไฟ และการต่อสายดิน
การแยกเส้นทางการเดินสายเคเบิลสื่อสารข้อมูลออกจากสายจ่ายกำลังไฟฟ้าที่มีกระแสไฟสูงอย่างเด็ดขาดถือเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการเหนี่ยวนำของสัญญาณรบกวนเข้าสู่ระบบการสื่อสาร สำหรับคุณลักษณะของสายเคเบิลแบบสองเส้น ควรเลือกใช้สายเคเบิลที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐานสากล (ISO 11898-2)
- สำหรับการส่งผ่านข้อมูลที่ความเร็วสูงสุด 1 Mbit/s ความยาวรวมของสายเคเบิลในเครือข่ายต้องไม่เกิน 40 เมตร
- สำหรับการส่งผ่านข้อมูลที่ความเร็วสูงสุด 1 Mbit/s ความยาวของสายแยกหรือสายย่อยไปยังแต่ละโหนดต้องไม่เกิน 30 เซนติเมตร
- สายเคเบิลควรมีค่าความต้านทานจำเพาะ (Impedance) อยู่ที่ 120 โอห์ม
- ค่าความต้านทานต่อเมตรอยู่ที่ 70 มิลลิโอห์มต่อเมตร
- ค่าเวลาหน่วงในการส่งสัญญาณระบุอยู่ที่ 5 นาโนวินาทีต่อเมตร
ซึ่งการเลือกใช้สายเคเบิลแบบตีเกลียวคู่จะช่วยหักล้างและลดการแผ่รังสีของสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ
เพื่อรักษาเสถียรภาพของสัญญาณและความถูกต้องสมบูรณ์ของข้อมูล จำเป็นต้องได้รับการติดตั้งตัวต้านทานสิ้นสุดสายขนาด 120 โอห์มไว้ที่ปลายทั้งสองด้านของเครือข่าย ตัวต้านทานเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการดูดซับพลังงานของสัญญาณ เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการสะท้อนกลับ ซึ่งการสะท้อนกลับนี้สามารถเข้าไปรบกวนและบิดเบือนสัญญาณข้อมูล จนเป็นสาเหตุให้การสื่อสารล้มเหลวได้
ในการลดผลกระทบจากสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าเพิ่มเติม ขอแนะนำให้เลือกใช้สายเคเบิลแบบมีฉนวนป้องกันสัญญาณรบกวน โดยจะต้องต่อสายฉนวนนี้เข้ากับระบบสายดินเพียงปลายด้านเดียวเท่านั้น เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดปัญหากราวด์ลูปที่เกิดจากความต่างศักย์ของแรงดันไฟฟ้า นอกจากนี้ ในระบบเครือข่ายที่มีโหนดซึ่งแยกกราวด์ทางไฟฟ้าออกจากกันอย่างเด็ดขาด แนะนำให้เลือกใช้สายเคเบิลแบบ 3 เส้น เพื่อเชื่อมต่อสายสัญญาณกราวด์ของระบบ CAN เข้าด้วยกัน ซึ่งวิธีนี้จะช่วยเพิ่มเสถียรภาพและคุณภาพในการสื่อสารข้อมูลได้อย่างมีนัยสำคัญ
3. Baud rate และความยาวสายสัญญาณ
ผลของ Baud rate ที่มีต่อความยาวของสายสัญญาณนั้น เกิดจากรูปแบบของการตัดสินใจสิทธิ์ในการเข้าใช้บัส (Arbitration) และกลไกการรับส่งสัญญาณ ซึ่งกำหนดให้ผู้เข้าร่วมในระบบทั้งหมดจำเป็นต้องมีระดับสัญญาณที่ระบุไว้อย่างชัดเจนและเหมือนกัน ณ จุดเวลาของบิต (Bit point in time) ที่กำหนดไว้ โดยผลกระทบจากการเหนี่ยวนำทางแม่เหล็กไฟฟ้า (Inductive) / ความจุไฟฟ้า (Capacitive) บนสายสัญญาณ หรือการสะท้อนกลับของสัญญาณอันเนื่องมาจากการต่อตัวต้านทานสิ้นสุดสาย (Termination) ที่ไม่ถูกต้อง หรือเกิดจากสายแยกย่อย (Drop lines/Stub lines) นั้น สามารถเปลี่ยนแปลงขอบของบิต (Bit edges) ได้ และส่งผลให้ความสามารถในการตรวจจับสถานะของสัญญาณแย่ลง ซึ่งจะทำให้ข้อความต่าง ๆ ถูกยกเลิกและปัดตกไปผ่านเฟรมข้อผิดพลาด (Error frames) และในท้ายที่สุด อาจส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อความน่าเชื่อถือในการรับส่งข้อมูลของระบบ
4. เพิ่มประสิทธิภาพสัญญาณด้วยอุปกรณ์ CAN Repeater
แม้ว่าจะมีการเดินสายไฟอย่างระมัดระวังและเลือกใช้สายสัญญาณที่ดีที่สุดแล้วก็ตาม ในหลาย ๆ ครั้งก็ยังไม่สามารถป้องกันการเกิดสัญญาณรบกวนได้อย่างสมบูรณ์ ซึ่งในจุดนี้ อุปกรณ์รีพีตเตอร์ (CAN Repeater) สามารถเข้ามาช่วยแก้ปัญหาได้ ด้วยการทำหน้าที่ฟื้นฟูและปรับระดับแรงดันของสัญญาณให้กลับมาคมชัดอีกครั้ง
อุปกรณ์รีพีตเตอร์ (Repeater) ทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมต่อทางกายภาพระหว่างระบบบัสสองระบบที่มีลักษณะเหมือนกัน โดยสัญญาณต่าง ๆ จะได้รับการสร้างขึ้นใหม่ (Regenerate) ผ่านอุปกรณ์รีพีตเตอร์นี้ และถูกส่งต่อไปยังอีกเซกเมนต์หนึ่งได้ ด้วยเหตุนี้ รีพีตเตอร์จึงทำหน้าที่แบ่งสายบัสออกเป็นสองเซกเมนต์ที่แยกออกจากกันโดยสิ้นเชิงในทางกายภาพ ซึ่งช่วยให้ระบบสามารถรองรับการเดินสายแยกย่อย (Stub lines) ที่มีความยาวมากขึ้นได้อีกด้วย
เมื่อใช้งานรีพีตเตอร์ (Repeater) มีข้อควรระวังว่า การติดตั้งอุปกรณ์นี้จะเทียบเท่ากับการเพิ่มความยาวของสายเคเบิลไปอีกประมาณ 35 เมตร (คิดเป็นระยะเวลาหน่วงในการเดินทางของสัญญาณ หรือ Signal Propagation Time อยู่ที่ประมาณ 175 นาโนวินาที) ดังนั้น ระบบที่กำลังประสบปัญหาในการรับส่งข้อมูลอันเนื่องมาจากขนาดระยะความยาวรวมของสายบัสที่มากเกินไปอยู่แล้ว จะไม่ได้รับประโยชน์ใด ๆ จากการนำอุปกรณ์รีพีตเตอร์มาใช้งาน
อย่างไรก็ตาม การใช้งานอุปกรณ์รีพีตเตอร์ (Repeater) จะช่วยให้สามารถเลือกใช้งานโครงสร้างเครือข่ายรูปแบบต้นไม้ (Tree Topology) และรูปแบบดาว (Star Topology) ได้ ซึ่งหากมีการนำมาประยุกต์ใช้งานอย่างชาญฉลาดและเชี่ยวชาญ ก็จะนำไปสู่การลดขนาดความยาวรวมของสายบัสลงได้อย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้สามารถช่วยแก้ไขปัญหาทางระบบสัญญาณได้อย่างมีประสิทธิภาพทั้งทางตรงและทางอ้อม
5. เพิ่มประสิทธิภาพสัญญาณด้วยอุปกรณ์ CAN Router
ในทางตรงกันข้ามกับอุปกรณ์รีพีตเตอร์ (Repeater) อุปกรณ์เราเตอร์ (Router) จะทำงานตามหลักการ “จัดเก็บ (แก้ไข) และส่งต่อ” (Store, modify, forward) ซึ่งหมายความว่าเราเตอร์จะทำการอ่านเฟรมข้อมูล CAN เข้ามาที่อินเตอร์เฟสฝั่งหนึ่ง จากนั้นจะนำข้อมูลเหล่านั้นมาประมวลผล แล้วจึงส่งเอาต์พุตออกไปที่ปลายทางอีกฝั่งหนึ่ง ด้วยเหตุนี้ เราเตอร์จึงสามารถแบ่งแยกเครือข่าย CAN ออกเป็นหลายเซกเมนต์ (Segments) ที่เป็นอิสระต่อกันได้อย่างเด็ดขาด ยิ่งไปกว่านั้น นอกเหนือจากการฟื้นฟูสัญญาณให้กลับมาสมบูรณ์แบบร้อยเปอร์เซ็นต์แล้ว เราเตอร์ยังช่วยให้สามารถแบ่งย่อยเครือข่าย CAN ออกเป็นเซกเมนต์ย่อยที่มีขนาดเล็กลงได้อีกด้วย ซึ่งการลดขนาดระยะความยาวของสายบัส หรือกล่าวคือการแบ่งเครือข่ายออกเป็นเซกเมนต์ย่อย ๆ นั้น มักจะนำไปสู่การปรับปรุงคุณภาพของสัญญาณให้ดีขึ้นอย่างมาก เนื่องจากสัญญาณที่ถูกส่งผ่านระหว่างเซกเมนต์ต่าง ๆ จะได้รับการประมวลผลอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดโดยอุปกรณ์เราเตอร์
การใช้งานอุปกรณ์เราเตอร์ (Router) จะช่วยเพิ่มความสามารถในการขยายขนาดของระบบ CAN ได้อย่างมาก ทั้งยังเปิดโอกาสให้สามารถเลือกใช้โครงสร้างเครือข่ายรูปแบบต้นไม้ (Tree Topology) และรูปแบบดาว (Star Topology) ซึ่งช่วยลดความยุ่งยากและทำให้การจัดแนวเดินสายไฟมีความเรียบง่ายยิ่งขึ้น นอกจากนี้ ความสามารถในการกรองข้อความ (Message Filtering) และการปรับแต่งแก้ไขข้อมูล ยังช่วยเพิ่มทางเลือกและขีดความสามารถที่หลากหลายสำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครือข่ายให้ทำงานได้อย่างสูงสุด
สรุป
- ตรวจสอบให้มั่นใจว่าได้วางเส้นทางการเดินสายไฟในรูปแบบที่ดีที่สุด และแยกสายสัญญาณข้อมูลออกจากสายไฟหลักอย่างชัดเจน
- เลือกใช้สายเคเบิลที่ผลิตขึ้นตามมาตรฐาน CAN โดยเฉพาะ ซึ่งต้องเป็นสายแบบมีฉนวนป้องกันสัญญาณรบกวนและมีการตีเกลียวคู่
- รักษาโครงสร้างเครือข่ายให้ถูกต้อง โดยติดตั้งตัวต้านทานสิ้นสุดสาย และออกแบบสายแยกย่อยให้มีระยะสั้นที่สุดเท่าที่เป็นไปได้
- ใช้งานอุปกรณ์ Repeater ในการแบ่งเซกเมนต์ของบัส เพื่อตัดและลดสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า
- ใช้งานอุปกรณ์ Router ในการแบ่งแยกสถาปัตยกรรมเครือข่าย CAN เพื่อรองรับการขยายขนาดและระยะทางของระบบในอนาคต
หวังว่าบทความข้างต้นจะช่วยให้ท่านสามารถปรับปรุงความน่าเชื่อถือของเครือข่าย CAN ได้เหมาะสมกับความต้องการ ท่านสามารถติดต่อทีมงาน เทคสแควร์ เพื่อติดต่อสอบถามข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการใช้งานผลิตภัณฑ์เชื่อมต่อเครือข่ายจาก Ixxat และ PEAK
บทความที่เกี่ยวข้อง
การเปลี่ยนอุปกรณ์ CAN Repeater ที่เลิกผลิตแล้ว
การหาตำแหน่งติดตั้ง termination resistor บนเครือข่าย CAN
การใช้งาน CAN repeater เพื่อป้องกันผลข้างเคียงจากฟ้าผ่าบนเครือข่าย CAN