利用CAN收發(fā)器提高CAN網(wǎng)絡(luò )的安全性

CAN收發(fā)器必須在非常惡劣的工作環(huán)境下保證數據傳輸的可靠性，這對器件的電子性能提出了很高的要求。收發(fā)器通常是昂貴的節點(diǎn)器件與CAN總線(xiàn)之間唯一的接口，因此德州儀器(TI)公司的CAN收發(fā)器SN65HVD1050所具有的許多工作安全特性對CAN應用而言特別重要，例如，抗電磁(EM)干擾、低EM輻射、噪聲抑制、靜電(ESD)保護、故障容限，以及在熱插拔過(guò)程或電源周期中的保護特性。

抗電磁干擾和低電磁輻射

隨著(zhù)電磁頻譜的使用率越來(lái)越高，各種器件發(fā)出的電磁場(chǎng)很可能對其它電子設備造成干擾。從一定程度上說(shuō)，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電子技術(shù)的發(fā)展，電磁干擾問(wèn)題將更加嚴重而普遍。

每種電子器件都有其自身獨特的電磁特性。任何電路的電感與電容都會(huì )產(chǎn)生一定離散頻率下的共模振蕩，這會(huì )增強或減弱電磁輻射。

CAN收發(fā)器HVD1050在設計與測試時(shí)特別考慮了EM的兼容性問(wèn)題，即使在EM干擾較大的環(huán)境下也不會(huì )發(fā)生故障或性能降低。這里定義的“兼容性”既指本身發(fā)出的電磁輻射較小，又指對外部電磁場(chǎng)有較強的抗干擾性。

對網(wǎng)絡(luò )應用產(chǎn)品的一個(gè)很重要的要求，是它們不會(huì )干擾其它鄰近元件或系統的工作。這就要求這些產(chǎn)品具有“低輻射”特性，通常依據系統或電子模塊對該特性的量化要求對這種特性的進(jìn)行測試。

不平衡的高頻電壓或電流切換將產(chǎn)生EM噪聲。對CAN收發(fā)器而言，系統級的輻射性能直接影響收發(fā)器特性。具體來(lái)說(shuō)，驅動(dòng)器在CANH與CANL上的輸出信號通常不匹配，這樣它們的電磁場(chǎng)不滿(mǎn)足幅值相等、方向相反的條件，因此無(wú)法差分抵消。這種輸出不匹配(如圖1與圖2所示)在TI數據表中以峰峰值共模輸出電壓VOC(PP)表示，它可看作是差分信令平衡性的性能表征。

共模輸出信號測量被認為可提供預測系統級輻射所需的所有信息。通過(guò)分析輸出共模信號的時(shí)間與頻率表示，就能對輻射情況進(jìn)行評估。

圖1：典型的CAN總線(xiàn)峰峰值共模輸出電壓VOC(PP)VOC(PP)波形。

高抗擾性和ESD保護

與其它差分輸入電路(如運算放大器)一樣，差分接收器的固有性能表征是共模噪聲抑制性能。差分信號對在物理上彼此靠近，因此一般都會(huì )受到相同噪聲源的影響，即每條線(xiàn)路上都有共模噪聲。這確保電磁場(chǎng)對每條線(xiàn)路的影響基本相同，雙絞線(xiàn)通過(guò)使相鄰環(huán)路的電磁場(chǎng)極性相反來(lái)消除磁場(chǎng)耦合帶來(lái)的差分影響。

在CAN應用中，各種振幅的噪聲都很容易進(jìn)入類(lèi)似天線(xiàn)的總線(xiàn)線(xiàn)路。脈沖馬達控制器、開(kāi)關(guān)電源以及熒光照明等典型的噪聲源都會(huì )耦合在總線(xiàn)線(xiàn)路上(圖3)。

如果CAN收發(fā)器在設計與測試時(shí)沒(méi)有考慮抑制耦合噪聲，那么它將受到噪聲的影響，并把噪聲信號誤當作總線(xiàn)上的數據，向控制器發(fā)送錯誤的、毫無(wú)意義的數據。

TI的CAN收發(fā)器HVD1050經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的設計與測試，能夠抑制很寬共模工作范圍內(-12V至+12V)的噪聲。差分接收機的抑制耦合噪聲能力很強，這充分說(shuō)明它的電子與機械設計非常細致，使輸入得到了盡可能理想的匹配。

ESD的產(chǎn)生有四種方式：一是帶電體接觸IC；二是帶電IC接觸接地平面；三是帶電機器接觸IC；四是靜電場(chǎng)產(chǎn)生很高的電介質(zhì)感應電壓而損壞IC。顯然，ESD的標稱(chēng)值高不但意味著(zhù)收發(fā)器很魯棒，而且也說(shuō)明電路設計很魯棒。

市場(chǎng)上其它同類(lèi)CAN收發(fā)器只能提供4kV的ESD保護，而CAN收發(fā)器HVD1050在依照JEDEC22A114-B人體模型(HBM)規范進(jìn)行測試時(shí)，可達到8kV的ESD標稱(chēng)值。由于具有很高的ESD保護性能，HVD1050比其它廠(chǎng)商早期推出的收發(fā)器更適用于條件惡劣的電子環(huán)境。

圖2：VOC(PP)的定義和測試電路圖。

故障容限

如果故障節點(diǎn)在總線(xiàn)持續放置一個(gè)支配位(dominantbit)，則CAN總線(xiàn)操作器有時(shí)會(huì )報告所有總線(xiàn)通信都停止。這種情況之所以發(fā)生，要么是因為控制器發(fā)生故障，要么是因為收發(fā)器輸入(TXD)引腳與相鄰接地(GND)引腳出現了線(xiàn)路斷開(kāi)、焊球焊接斷開(kāi)或金屬薄片短路等隨機性問(wèn)題。

HVD1050中的支配超時(shí)(dominant-time-out)電路可避免驅動(dòng)器因軟硬件故障而阻礙網(wǎng)絡(luò )通信。TXD上的下降沿會(huì )觸發(fā)超時(shí)電路。如果電路超時(shí)常量所設定的時(shí)間已過(guò)，而上升沿還沒(méi)有出現，那么驅動(dòng)器的輸出將被禁用，從而使總線(xiàn)脫離膠著(zhù)支配(stuckdominant)狀態(tài)。一旦故障解決，TXD的下一個(gè)上升沿使電路復位。

在許多CAN應用中，總線(xiàn)線(xiàn)纜極性反轉、線(xiàn)纜意外破損、總線(xiàn)至電源及接地之間的線(xiàn)路突然短路等現象經(jīng)常發(fā)生。為避免24V工業(yè)總線(xiàn)在實(shí)際工作環(huán)境下出現上述問(wèn)題，HVD1050提供從-27V至+40V的短路保護。短路保護可持續任意長(cháng)時(shí)間，以確保設備在故障排除后仍能繼續正常工作。

HVD1050的熱關(guān)斷電路還可以提供更多保護功能。如果總線(xiàn)短路，出現過(guò)電流，那么HVD1050在過(guò)熱情況下將自動(dòng)關(guān)閉器件，以避免損壞內部電路系統。

熱插拔、電源周期與無(wú)干擾輸出

如果往網(wǎng)絡(luò )增加額外組件，那么通常需要關(guān)閉整個(gè)網(wǎng)絡(luò )，以免出現代價(jià)昂貴的系統故障。因此，操作系統的熱插拔功能對許多CAN應用都大有裨益。

將不上電的模塊直接插入上電的系統中，就是所謂的“熱插拔”。這要求收發(fā)器輸出在器件從不上電轉為上電狀態(tài)的過(guò)程中保持穩定，以便不影響到正在進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò )通信。

目前市場(chǎng)上的眾多CAN收發(fā)器在不上電時(shí)的輸出阻抗都很低，這使得器件能接收總線(xiàn)上的所有信號，從而導致所有數據傳輸中斷。

為避免出現上述問(wèn)題，HVD1050的總線(xiàn)引腳在內部被偏置為高阻抗隱性狀態(tài)，這樣就能將上電看成已知的隱性狀況，而不會(huì )干擾總線(xiàn)正在進(jìn)行的通信，此外還能在電路上電、斷電的時(shí)候始終保持總線(xiàn)的完整性?？傊?，由于具有上述特性，HVD1050能大幅提高所有CAN應用的操作安全性。

圖3：耦合到4條雙絞線(xiàn)上的共模噪聲波形。