การปกป้องเครือข่าย CAN ด้วยการแยกสัญญาณทางไฟฟ้า (Galvanic Isolation)

ปัจจัยภายในและภายนอกที่มีผลต่อเครือข่าย CAN

ผลกระทบจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงสุดชั่วขณะ (Voltage Peaks) หรือเหตุการณ์ภายนอกอย่างฟ้าผ่า เป็นสิ่งที่สามารถนำมาพิจารณาในระหว่างการวางแผนระบบเครือข่าย CAN(FD) ได้ การเลือกใช้อุปกรณ์ที่เหมาะสมจะช่วยป้องกันไม่ให้เกิดความเสียหายแก่โหนดต่าง ๆ ในเครือข่าย ซึ่งช่วยลดการหยุดทำงานของระบบอันเนื่องมาจากอุปกรณ์ชำรุดหรือการสื่อสารข้อมูลที่ขัดข้อง

บทความนี้จะอธิบายถึงสาเหตุของสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าสูงสุดชั่วขณะ รวมถึงแนวทางแก้ไขเพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบดังกล่าว โดยการใช้อุปกรณ์ที่มีการแยกสัญญาณทางไฟฟ้า (Galvanically Isolated Components)

การใช้อุปกรณ์ที่มีอินเทอร์เฟซ CAN บัสแบบแยกส่วนทางไฟฟ้า ช่วยปกป้องอุปกรณ์เหล่านี้ไม่ให้เกิดความเสียหายจากแรงดันไฟฟ้าเกิน (overvoltage) บนเครือข่าย โดยทั่วไปแรงดันไฟฟ้าในการแยกส่วนจะอยู่ที่ 1 กิโลโวลต์ (kV) แต่อาจสูงได้ถึง 5 กิโลโวลต์ เนื่องจากส่วนประกอบสำหรับแยกส่วนทางไฟฟ้านั้นถูกรวมเข้าไว้ในตัวอุปกรณ์แล้ว ในขั้นตอนการวางแผนและการเลือกใช้อุปกรณ์ จึงต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุปกรณ์เหล่านั้นมีอินเทอร์เฟซแบบแยกส่วนทางไฟฟ้า

การใช้รีพีตเตอร์ (Repeater) เพื่อการแยกส่วนทางไฟฟ้า

การใช้รีพีตเตอร์แบบแยกส่วนทางไฟฟ้าช่วยให้อุปกรณ์ได้รับการปกป้องในภายหลัง และยังมีข้อดีอื่น ๆ อีกหลายประการ

รีพีตเตอร์มีความแตกต่างจากอุปกรณ์ที่ติดตั้งอินเทอร์เฟซแบบแยกส่วนทางไฟฟ้ามาในตัว เพราะรีพีตเตอร์แบบแยกส่วนทางไฟฟ้าสามารถแยกเซกเมนต์ (segments) เฉพาะจุดได้ ตัวอย่างเช่น สามารถตัดแยกอุปกรณ์ที่สร้างสัญญาณรบกวนรุนแรงออกไป หรือเลือกแยกเซกเมนต์ของบัสที่ต้องเผชิญกับผลกระทบจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) สูงออกจากระบบส่วนที่เหลือ ซึ่งช่วยจำกัดขอบเขตผลกระทบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าให้อยู่เฉพาะในพื้นที่

นอกจากนี้รีพีตเตอร์ยังทำหน้าที่ฟื้นฟูสัญญาณ (signal regeneration) ควบคู่ไปกับการแยกส่วนทางไฟฟ้าซึ่งช่วยเพิ่มความเสถียรโดยรวมของเครือข่าย

ทั้งนี้มี CAN repeater ซึ่งรองรับเครือข่าย CAN และ CAN FD โดยค่าการแยกส่วนทั่วไปจะอยู่ที่ระหว่าง 1 กิโลโวลต์ (kV) ถึง 4 กิโลโวลต์ ขึ้นอยู่กับรุ่นของอุปกรณ์

การป้องกันการเกิดกราวนด์ลูป (Ground Loop)

กราวนด์ลูปในสายข้อมูลเป็นผลมาจากความต่างศักย์ไฟฟ้าของแรงดันไฟฟ้าระหว่างกราวนด์ของอุปกรณ์หรือระบบสองชุดที่เชื่อมต่อกันผ่านเครือข่าย CAN

โดยทั่วไปแล้ว ควรหลีกเลี่ยงการต่อลงกราวนด์หลายจุด (multiple grounding) อย่างไรก็ตาม กราวนด์ลูปสามารถเกิดขึ้นได้จากการต่อลงกราวนด์ของสายจ่ายไฟทั้งสองด้าน หรือเกิดจากการต่อลงกราวนด์ซ้ำซ้อนโดยไม่ได้ตั้งใจของฉนวนหุ้มสาย (line shield)

หากจุดต่อลงกราวนด์ทั้งสองจุดมีความศักย์ไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ซึ่งมักเกิดขึ้นกับระบบที่มีระยะทางไกล กระแสชดเชย (compensating current) จะไหลผ่านฉนวนหุ้มสายหรือไหลผ่านเครือข่าย CAN ที่นำส่งสัญญาณ

ความต่างศักย์ของแรงดันไฟฟ้าและกระแสชดเชยที่เกิดขึ้นนี้ สามารถก่อให้เกิดการหยุดชะงักในการส่งข้อมูลได้ เนื่องจากมันจะสร้างสัญญาณรบกวน (noise) หรือเสียงฮัม (humming) ที่ไม่พึงประสงค์ ซึ่งส่งผลกระทบต่อสัญญาณและคุณภาพของสัญญาณ

สำหรับความต่างศักย์ที่สูงกว่า เช่น กรณีที่เกิดจากฟ้าผ่าและถ้วยกระเบื้อง (voltage cone) อาจทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในระดับที่สร้างความเสียหายต่อส่วนประกอบของระบบ และนำไปสู่ความล้มเหลวของระบบในที่สุด

มาตรการต่าง ๆ สามารถนำมาใช้เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดกราวนด์ลูปได้ มาตรการหนึ่งคือการตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีการต่อลงกราวนด์ของฉนวนหุ้มสายเพียงด้านเดียวของสายเท่านั้น นอกจากนี้ การแยกส่วนทางไฟฟ้าของเครือข่าย CAN ยังช่วยป้องกันกระแสชดเชยไหลผ่านเครือข่าย CAN ได้ ซึ่งในกรณีนี้ ไม่ว่าจะใช้อุปกรณ์ที่มีอินเทอร์เฟซ CAN แบบแยกส่วนทางไฟฟ้าในตัว หรือจะทำการแยกส่วนทางไฟฟ้ารีพีตเตอร์ก็ให้ผลลัพธ์เช่นเดียวกัน

ผลกระทบของการแยกส่วนทางไฟฟ้าต่อเวลาที่สัญญาณใช้ในการเดินทางและความยาวสาย

ความล่าช้าของสัญญาณ (signal delay) ทั่วไปของเครือข่าย CAN ซึ่งแยกส่วนทางไฟฟ้าจะอยู่ที่ประมาณ 50 นาโนวินาที (ns) ซึ่งเทียบเท่ากับความยาวสายเครือข่าย CAN 10 เมตร (ที่อัตรา 5 นาโนวินาที/เมตร)

ส่วน CAN repeater ที่มีการประมวลผลภายในรวมถึงอินเทอร์เฟซ CAN แบบแยกส่วนทางไฟฟ้าสองชุด จะมีความล่าช้าอยู่ที่ประมาณ 200 นาโนวินาที (ซึ่งเทียบเท่ากับความยาวสายประมาณ 40 เมตร)

เนื่องด้วยกระบวนการเข้าใช้บัส (arbitration process ซึ่งกำหนดให้ต้องมีระดับสัญญาณที่คงที่และเท่ากันสำหรับผู้เข้าใช้ร่วมทั้งหมด ณ เวลาบิตที่กำหนด) ความยาวสายสูงสุดในเครือข่าย CAN จึงขึ้นอยู่กับ Baud Rate ที่ใช้งาน

การแยกส่วนทางไฟฟ้าจะลดความยาวสูงสุดของเครือข่าย CAN เนื่องจากความล่าช้าของสัญญาณ อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้อินเทอร์เฟซหรือรีพีตเตอร์แบบแยกส่วนทางไฟฟ้าหลายตัว ไม่ได้หมายความว่าความล่าช้าเหล่านั้นจะนำมาบวกสะสมกันทั้งหมด โดยจะพิจารณาเฉพาะระยะทางระหว่างโหนดที่อยู่ห่างกันที่สุดในแง่ของการส่งสัญญาณเท่านั้น 

การขยายระยะทางสูงสุดสามารถทำได้โดยใช้ CAN bridge ซึ่งจะแบ่งระบบออกเป็นสองเซกเมนต์สัญญาณที่เป็นอิสระต่อกัน CAN bridge มีรุ่นที่มีการแยกส่วนทางไฟฟ้าให้เลือกใช้เช่นเดียวกับ CAN repeater และยังมีฟังก์ชันการกรองและการแปลงข้อมูลอีกด้วย อย่างไรก็ตาม ความล่าช้าของข้อความ CAN (CAN message delay) ของอุปกรณ์นี้จะสูงกว่าของ CAN repeater เป็นอย่างมาก

การส่งสัญญาณในพื้นที่ที่มีระดับสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) สูง