1、一。 CAN總線安全保護問題1。1 CAN總線特點：由于CAN總線具有通訊速率高(傳輸速度最高可達1 Mbit/s）、可靠性高、連接方便和性價比高等諸多特點,CAN的應用范圍遍及從高速網絡到低成本的多線路網絡。在自動化電子領域的汽車發動機控制部件、傳感器、工業自動化、建筑物環境控制、機床或電梯控制、醫療設備等領域得到了較為廣泛的應用.CAN機制本身主要具有以下特點： 報文的優先權 設置靈活 時間同步的多點接收 多主機 錯誤檢測和標定 只要總線一處于空閑,就自動將破壞的報文重新傳輸 將節點的暫時性錯誤和永久性錯誤區分開來，并且可以自動關閉錯誤的節點1。1。1 CAN自身的安全機制為了獲得最安全的

2、數據發送,CAN 的每一個節點均采取了強有力的措施以進行錯誤檢測、錯誤標定及錯誤自檢。并且總線空閑時，任何單元都可以開始傳送報文,具有較高優先權報文的單元可以獲得總線訪問權。如果2個或2個以上的單元同時開始傳送報文則可以通過使用識別符的位形式仲裁解決這種沖突,當具有相同識別符的數據幀和遠程幀同開始傳送報文時，數據幀優先于遠程幀,仲裁期間，每一個發送器都對發送位的電平與被監控的總線電平進行比較。如果電平相同，則這個單元可以繼續發送。如果發送的是一“隱性”電平而監控視到一“顯性”電平，那么該單元就失去了仲裁，必須退出發送狀態CAN 的信號傳輸采用短幀結構,每一幀的有效字節數為 8個，因而傳輸時間短

3、、受干擾的概率低。當節點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能以切斷該節點與總線的聯系,使總線上的其它節點極其通信不受影響。CAN支持多主方式工作，網絡上任何節點均可在任意時刻主動向其它節點發送信息,支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收/發送數據。它采用總線仲裁技術,當出現幾個節點同時在網絡上傳輸信息時，優先級高的節點可繼續傳輸數據，而優先級低的節點則主動停止發送,從而避免了總線沖突。在實際應用中，尤其是在現場運行環境較差，干擾嚴重的情況下，如何提高CAN總線的抗干擾能力，使系統更可靠運行,是設計者關注的重點。1.2 保障CAN總線安全的方法1.2。1利用CAN收發器提高CAN網絡的安全性CAN收

4、發器必須在非常惡劣的工作環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。收發器通常是昂貴的節點器件與CAN總線之間唯一的接口因此它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、靜電(ESD)保護、故障容限,以及在熱插拔過程中的保護特性等。  1。 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，各種器件發出的電磁場很可能對其它電子設備造成干擾。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收發器在設計與測試時需要考慮EM的兼容性問題，即使在EM

5、干擾較大的環境下也不會發生故障或性能降低。這里定義的“兼容性”既指本身發出的電磁輻射較小，又指對外部電磁場有較強的抗干擾性。對網絡應用產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的工作.這就要求這些產品具有“低輻射"特性。2. 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。這樣就確保了電磁場對每條線路的影響基本相同,雙絞線通過使相鄰環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

6、線的總線線路.PWM脈沖控制器、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.如果CAN收發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據,向控制器發送錯誤的 、毫無意義的數據。ESD的產生有四種方式：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；四是靜電場產生很高的電介質感應電壓而損壞IC.3. 故障容限如果故障節點在總線持續放置一個支配位(dominant bit），則有時會報告所有總線通信都停止，這種情況之所以發生，要么是因為控制器發生故障,要么是因為收發器輸入(TXD）引腳與相鄰接地（GND)引腳出現了

7、線路斷開、焊球焊接斷開或金屬薄片短路等隨機性問題。 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象經常發生。為避免24V工業總線在實際工作環境下出現上述問題，CAN收發器應提供短路保護。短路保護可持續任意長時間，以確保設備在故障排除后仍能繼續正常工作，有的CAN收發器可以在出現這種故障情況下采用其中一根好的線路進行單線傳輸數據。4. 熱插拔與無干擾輸出如果往網絡增加額外組件，那么通常需要關閉整個網絡，以免出現系統故障。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

8、器輸出在器件從不上電轉為上電狀態的過程中保持穩定，以便不影響到正在進行的網絡通信。目前市場上的眾多CAN收發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，從而導致所有數據傳輸中斷.為避免出現上述問題，有的CAN收發器的總線引腳在內部被偏置為高阻抗隱性狀態，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。 1.2.2 適當降低總線波特率適當降低波特率可以起到抗干擾的作用，波特率下降,CAN位時間增長，對CAN波形采樣時間也相應加長，躲過干擾的可能性也增大了。當然，波特率的降低必須在滿足系統快速性的前提下進行。在

9、CAN系統硬件設計階段可采一些抗干擾措施，如在CAN控制芯片與CAN驅動間加快速光隔隔離；在CAN驅動級使用獨立的隔離電源；在CAN總線間加瞬變電壓吸收器等，均能提高CAN總線在工業現場的抗干擾能力。1。2.3 接入終端電阻(匹配電阻）終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號反射在通信過程中，有兩種信號因導致信號反射：阻抗不連續和阻抗不匹配,阻抗不連續，信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號在這個地方就會引起反射.這種信號反射的原理，與光從一種媒質進入另一種媒質要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續。由于信

10、號在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個同樣大小的終端電阻,一般在總線的兩端將加120歐的電阻。引起信號反射的另個原因是數據收發器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配.這種原因引起的反射，主要表現在通訊線路處在空閑方式時，整個網絡數據混亂。要減弱反射信號對通訊線路的影響,通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法.在實際應用中，對于比較小的反射信號，為簡單方便,經常采用加偏置電阻的方法。1.2。4 光藕隔離1為了進一步提高CAN總線節點的抗干擾能力，保證各節點之間在電氣上是完全隔離和獨立的，可以令微控器的TX和RX管腳分別通過高速光耦與CAN收發器的TX的RX管腳相連。不過,應該特別說明的是

11、,光耦部分電路所采用的兩個電源必須完全隔離,否則采用光耦也就失去了意義。電源的完全隔離采用小功率電源隔離模塊。這樣做的電路雖復雜一些,但是卻提高了節點的穩定性和安全性。 2在CANH和CANL與地之間并聯兩個30pF的小電容,可以濾除總線上的高頻干擾并且具有一定的防電磁輻射的能力； 3為了減小現場對節點的干擾，有用屏蔽雙絞線，且根據實際使用經驗，屏蔽電纜的屏蔽層無需接地。1。2.5 采用TVS管箝制竄入總線的電壓干擾CAN系統必須達到電磁干擾（EMI）和靜電放電（ESD）標準的嚴格要求,同時提高產品的可靠性并降低產品成本、縮小尺寸,對設計人員而言，這是一個挑戰?？梢园呀档驮胍舻募夹g以及總線保護

12、器件加入到系統中去，而且不會增加CAN收發器電路的復雜程度,也不會增大成本。對CAN收發器的一個要求是它們必須承受得住瞬變電壓所產生的很大能量的浪涌，現在有一些其他的保護器件，可以承受能量更大的浪涌。利用這些保護器件,CAN通訊系統會更加可靠.例如：在兩根CAN總線接入端之間并入了5。6V的TVS(瞬變電壓抑制器件)管,當CAN總線竄入電壓干擾時可通過TVS管的短路起到一定的過壓保護作用。 在選擇此類保護器件時，要考慮到CAN的幾項指標.其中包括：最高電源電壓、共模電壓、最大傳輸速度、耦合進來的電氣干擾以及ESD額定值。在供電電壓為最大的情況下,保護電路的擊穿電壓應該高于供電電壓,但低于CAN

13、收發器的最大輸入電壓。在一般的情況下，對于一個12V的CAN系統,應該選擇擊穿電壓大約為30V的瞬變電壓抑制（TVS）器件.這樣，就可以把瞬變電壓箝制在安全的電平，在TVS器件沒有工作的時候又不會衰減原來的信號。擊穿電壓選為30V是考慮到12V電池會用24V電源充電。在接收節點和發射節點的地之間的電位差別相當大時，存在共模電壓。這時在數據線上會產生高于正常電平或者低于正常電平2.0V的偏移電壓。可以接在數據線上的最大電容決定了最高傳輸速度。如果CAN_L 和CAN_H兩條線上的電容是一樣的,那么信號線上允許有一些畸變。 但是每只TVS器件的電容或者每只電容器的電容很難做到都是一樣的,所以，數據線的電容應當盡可能小。 數據線和電源線往往是在同一束線當中，所以它們之間存在寄生電容和寄生電感.耦合到數據線上的電氣干擾是電源線上感應出來的瞬變噪音引起的，它耦合到數據線上的信號中。CAN組件一要能夠承受得住這兩種噪音。當一個物體，例如一個人對器件造成靜電沖擊時，就會出現ESD。CAN網絡應該容許±8.0kV的接觸放電，±15kV的非接觸空氣放電。T