利用CAN收發(fā)器提高CAN網(wǎng)絡的安全性

       CAN收發(fā)器必須在非常惡劣的工作環(huán)境下保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕@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(jié)點器件與CAN總線之間唯一的接口，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 

        隨著電磁頻譜的使用率越來越高，各種器件發(fā)出的電磁場很可能對其它電子設備造成干擾。從一定程度上說，隨著無線電子技術的發(fā)展，電磁干擾問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產(chǎn)生一定離散頻率下的共模振蕩，這會增強或減弱電磁輻射。 

        CAN收發(fā)器HVD1050在設計與測試時特別考慮了EM的兼容性問題，即使在EM干擾較大的環(huán)境下也不會發(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，又指對外部電磁場有較強的抗干擾性。 

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

        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(tǒng)級的輻射性能直接影響收發(fā)器特性。具體來說，驅動器在CANH與CANL上的輸出信號通常不匹配，這樣它們的電磁場不滿足幅值相等、方向相反的條件，因此無法差分抵消。這種輸出不匹配(如圖1與圖2所示)在TI數(shù)據(jù)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(tǒng)級輻射所需的所有信息。通過分析輸出共模信號的時間與頻率表示，就能對輻射情況進行評估。  
 

圖1：典型的CAN總線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，因此一般都會受到相同噪聲源的影響，即每條線路上都有共模噪聲。這確保電磁場對每條線路的影響基本相同，雙絞線通過使相鄰環(huán)路的電磁場極性相反來消除磁場耦合帶來的差分影響。 

        在CAN應用中，各種振幅的噪聲都很容易進入類似天線的總線線路。脈沖馬達控制器、開關電源以及熒光照明等典型的噪聲源都會耦合在總線線路上(圖3)。 

        如果CAN收發(fā)器在設計與測試時沒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上的數(shù)據(jù)，向控制器發(fā)送錯誤的 、毫無意義的數(shù)據(jù)。 

        TI的CAN收發(fā)器HVD1050經(jīng)過專門的設計與測試，能夠抑制很寬共模工作范圍內(nèi)(-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；四是靜電場產(chǎn)生很高的電介質感應電壓而損壞IC。顯然，ESD的標稱值高不但意味著收發(fā)器很魯棒，而且也說明電路設計很魯棒。 

        市場上其它同類CAN收發(fā)器只能提供4kV的ESD保護，而CAN收發(fā)器HVD1050在依照JEDEC 22 A114-B人體模型(HBM)規(guī)范進行測試時，可達到8kV的ESD標稱值。由于具有很高的ESD保護性能，HVD1050比其它廠商早期推出的收發(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(jié)點在總線持續(xù)放置一個支配位(dominant bit)，則CAN總線操作器有時會報告所有總線通信都停止。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(xiàn)了線路斷開、焊球焊接斷開或金屬薄片短路等隨機性問題。 

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

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

        HVD1050的熱關斷電路還可以提供更多保護功能。如果總線短路，出現(xiàn)過電流，那么HVD1050在過熱情況下將自動關閉器件，以避免損壞內(nèi)部電路系統(tǒng)。 

熱插拔、電源周期與無干擾輸出 

        如果往網(wǎng)絡增加額外組件，那么通常需要關閉整個網(wǎng)絡，以免出現(xiàn)代價昂貴的系統(tǒng)故障。因此，操作系統(tǒng)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(tǒng)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)的過程中保持穩(wěn)定，以便不影響到正在進行的網(wǎng)絡通信。 

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

        為避免出現(xiàn)上述問題，HVD1050的總線引腳在內(nèi)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，而不會干擾總線正在進行的通信，此外還能在電路上電、斷電的時候始終保持總線的完整性。總之，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條雙絞線上的共模噪聲波形。