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(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，這對(duì)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(diǎn)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(duì)CAN應(yīng)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(hù)、故障容限，以及在熱插拔過程或電源周期中的保護(hù)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(chǎng)很可能對(duì)其它電子設(shè)備造成干擾。從一定程度上說，隨著無線電子技術(shù)的發(fā)展，電磁干擾問題將更加嚴(yán)重而普遍。

每種電子器件都有其自身獨(dú)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(qiáng)或減弱電磁輻射。

CAN收發(fā)器HVD1050在設(shè)計(jì)與測(cè)試時(shí)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(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(duì)外部電磁場(chǎng)有較強(qiáng)的抗干擾性。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(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(duì)該特性的量化要求對(duì)這種特性的進(jìn)行測(cè)試。

不平衡的高頻電壓或電流切換將產(chǎn)生EM噪聲。對(duì)CAN收發(fā)器而言，系統(tǒng)級(jí)的輻射性能直接影響收發(fā)器特性。具體來說，驅(qū)動(dòng)器在CANH與CANL上的輸出信號(hào)通常不匹配，這樣它們的電磁場(chǎng)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(hào)測(cè)量被認(rèn)為可提供預(yù)測(cè)系統(tǒng)級(jí)輻射所需的所有信息。通過分析輸出共模信號(hào)的時(shí)間與頻率表示，就能對(duì)輻射情況進(jìn)行評(píng)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(hù)

與其它差分輸入電路(如運(yùn)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(hào)對(duì)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，即每條線路上都有共模噪聲。這確保電磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)極性相反來消除磁場(chǎng)耦合帶來的差分影響。

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

如果CAN收發(fā)器在設(shè)計(jì)與測(cè)試時(shí)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(hào)誤當(dāng)作總線上的數(shù)據(jù)，向控制器發(fā)送錯(cuò)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(shè)計(jì)與測(cè)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(jī)的抑制耦合噪聲能力很強(qiáng)，這充分說明它的電子與機(jī)械設(shè)計(jì)非常細(xì)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(jī)器接觸IC；四是靜電場(chǎng)產(chǎn)生很高的電介質(zhì)感應(yīng)電壓而損壞IC。顯然，ESD的標(biāo)稱值高不但意味著收發(fā)器很魯棒，而且也說明電路設(shè)計(jì)很魯棒。

市場(chǎng)上其它同類CAN收發(fā)器只能提供4kV的ESD保護(hù)，而CAN收發(fā)器HVD1050在依照J(rèn)EDEC22A114-B人體模型(HBM)規(guī)范進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可達(dá)到8kV的ESD標(biāo)稱值。由于具有很高的ESD保護(hù)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(cè)試電路圖。

故障容限

如果故障節(jié)點(diǎn)在總線持續(xù)放置一個(gè)支配位(dominantbit)，則CAN總線操作器有時(shí)會(huì)報(bào)告所有總線通信都停止。這種情況之所以發(fā)生，要么是因?yàn)榭刂破靼l(fā)生故障，要么是因?yàn)槭瞻l(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(jī)性問題。

HVD1050中的支配超時(shí)(dominant-time-out)電路可避免驅(qū)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(shè)定的時(shí)間已過，而上升沿還沒有出現(xiàn)，那么驅(qū)動(dòng)器的輸出將被禁用，從而使總線脫離膠著支配(stuckdominant)狀態(tài)。一旦故障解決，TXD的下一個(gè)上升沿使電路復(fù)位。

在許多CAN應(yīng)用中，總線線纜極性反轉(zhuǎn)、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(shí)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(hù)。短路保護(hù)可持續(xù)任意長(zhǎng)時(shí)間，以確保設(shè)備在故障排除后仍能繼續(xù)正常工作。

HVD1050的熱關(guān)斷電路還可以提供更多保護(hù)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(dòng)關(guān)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(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(xiàn)代價(jià)昂貴的系統(tǒng)故障。因此，操作系統(tǒng)的熱插拔功能對(duì)許多CAN應(yīng)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(zhuǎn)為上電狀態(tài)的過程中保持穩(wěn)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上的所有信號(hào)，從而導(dǎo)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(huì)干擾總線正在進(jìn)行的通信，此外還能在電路上電、斷電的時(shí)候始終保持總線的完整性。總之，由于具有上述特性，HVD1050能大幅提高所有CAN應(yīng)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。