利用CAN收发器提高CAN网络的安全性

       CAN收发器必须在非常恶劣的工作环境下保证数据传输的可靠性，这对器件的电子性能提出了很高的要求。收发器通常是昂贵的节点器件与CAN总线之间唯一的接口，因此德州仪器(TI)公司的CAN收发器SN65HVD1050所具有的许多工作安全特性对CAN应用而言特别重要，例如，抗电磁(EM)干扰、低 EM 辐射、噪声抑制、静电(ESD)保护、故障容限，以及在热插拔过程或电源周期中的保护特性。 

抗电磁干扰和低电磁辐射 

        随着电磁频谱的使用率越来越高，各种器件发出的电磁场很可能对其它电子设备造成干扰。从一定程度上说，随着无线电子技术的发展，电磁干扰问题将更加严重而普遍。 

        每种电子器件都有其自身独特的电磁特性。任何电路的电感与电容都会产生一定离散频率下的共模振荡，这会增强或减弱电磁辐射。 

        CAN收发器HVD1050在设计与测试时特别考虑了EM的兼容性问题，即使在EM干扰较大的环境下也不会发生故障或性能降低。这里定义的“兼容性”既指本身发出的电磁辐射较小，又指对外部电磁场有较强的抗干扰性。 

        对网络应用产品的一个很重要的要求，是它们不会干扰其它邻近元件或系统的工作。这就要求这些产品具有“低辐射”特性，通常依据系统或电子模块对该特性的量化要求对这种特性的进行测试。 

        不平衡的高频电压或电流切换将产生 EM 噪声。对CAN收发器而言，系统级的辐射性能直接影响收发器特性。具体来说，驱动器在CANH与CANL上的输出信号通常不匹配，这样它们的电磁场不满足幅值相等、方向相反的条件，因此无法差分抵消。这种输出不匹配(如图1与图2所示)在TI数据表中以峰峰值共模输出电压VOC(PP)表示，它可看作是差分信令平衡性的性能表征。
 
        共模输出信号测量被认为可提供预测系统级辐射所需的所有信息。通过分析输出共模信号的时间与频率表示，就能对辐射情况进行评估。  
 

图1：典型的CAN总线峰峰值共模输出电压VOC(PP)VOC(PP)波形。
 
高抗扰性和ESD保护 

        与其它差分输入电路(如运算放大器)一样，差分接收器的固有性能表征是共模噪声抑制性能。差分信号对在物理上彼此靠近，因此一般都会受到相同噪声源的影响，即每条线路上都有共模噪声。这确保电磁场对每条线路的影响基本相同，双绞线通过使相邻环路的电磁场极性相反来消除磁场耦合带来的差分影响。 

        在CAN应用中，各种振幅的噪声都很容易进入类似天线的总线线路。脉冲马达控制器、开关电源以及荧光照明等典型的噪声源都会耦合在总线线路上(图3)。 

        如果CAN收发器在设计与测试时没有考虑抑制耦合噪声，那么它将受到噪声的影响，并把噪声信号误当作总线上的数据，向控制器发送错误的 、毫无意义的数据。 

        TI的CAN收发器HVD1050经过专门的设计与测试，能够抑制很宽共模工作范围内(-12V至+12V)的噪声。差分接收机的抑制耦合噪声能力很强，这充分说明它的电子与机械设计非常细致，使输入得到了尽可能理想的匹配。 

        ESD的产生有四种方式：一是带电体接触 IC；二是带电 IC 接触接地平面；三是带电机器接触IC；四是静电场产生很高的电介质感应电压而损坏IC。显然，ESD的标称值高不但意味着收发器很鲁棒，而且也说明电路设计很鲁棒。 

        市场上其它同类CAN收发器只能提供4kV的ESD保护，而CAN收发器HVD1050在依照JEDEC 22 A114-B人体模型(HBM)规范进行测试时，可达到8kV的ESD标称值。由于具有很高的ESD保护性能，HVD1050比其它厂商早期推出的收发器更适用于条件恶劣的电子环境。  
 

图2：VOC(PP) 的定义和测试电路图。
 
故障容限 

        如果故障节点在总线持续放置一个支配位(dominant bit)，则CAN总线操作器有时会报告所有总线通信都停止。这种情况之所以发生，要么是因为控制器发生故障，要么是因为收发器输入(TXD)引脚与相邻接地(GND)引脚出现了线路断开、焊球焊接断开或金属薄片短路等随机性问题。 

        HVD1050中的支配超时(dominant-time-out)电路可避免驱动器因软硬件故障而阻碍网络通信。TXD上的下降沿会触发超时电路。如果电路超时常量所设定的时间已过，而上升沿还没有出现，那么驱动器的输出将被禁用，从而使总线脱离胶着支配(stuck dominant)状态。一旦故障解决，TXD的下一个上升沿使电路复位。 

        在许多CAN应用中，总线线缆极性反转、线缆意外破损、总线至电源及接地之间的线路突然短路等现象经常发生。为避免24V工业总线在实际工作环境下出现上述问题，HVD1050提供从-27V至+40V的短路保护。短路保护可持续任意长时间，以确保设备在故障排除后仍能继续正常工作。 

        HVD1050的热关断电路还可以提供更多保护功能。如果总线短路，出现过电流，那么HVD1050在过热情况下将自动关闭器件，以避免损坏内部电路系统。 

热插拔、电源周期与无干扰输出 

        如果往网络增加额外组件，那么通常需要关闭整个网络，以免出现代价昂贵的系统故障。因此，操作系统的热插拔功能对许多CAN应用都大有裨益。 

        将不上电的模块直接插入上电的系统中，就是所谓的“热插拔”。这要求收发器输出在器件从不上电转为上电状态的过程中保持稳定，以便不影响到正在进行的网络通信。 

        目前市场上的众多CAN收发器在不上电时的输出阻抗都很低，这使得器件能接收总线上的所有信号，从而导致所有数据传输中断。 

        为避免出现上述问题，HVD1050的总线引脚在内部被偏置为高阻抗隐性状态，这样就能将上电看成已知的隐性状况，而不会干扰总线正在进行的通信，此外还能在电路上电、断电的时候始终保持总线的完整性。总之，由于具有上述特性，HVD1050能大幅提高所有CAN应用的操作安全性。  
 

图3：耦合到4条双绞线上的共模噪声波形。