CAN总线安全保护措施.doc

一. CAN总线安全保护问题1.1 CAN总线特点：由于CAN总线具有通讯速率高(传输速度最高可达1 Mbit/s)、可靠性高、连接方便和性价比高等诸多特点，CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。在自动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、工业自动化、建筑物环境控制、机床或电梯控制、医疗设备等领域得到了较为广泛的应用。CAN机制本身主要具有以下特点： 报文的优先权 设置灵活 时间同步的多点接收 多主机 错误检测和标定 只要总线一处于空闲，就自动将破坏的报文重新传输 将节点的暂时性错误和永久性错误区分开来，并且可以自动关闭错误的节点1.1.1 CAN自身的安全机制为了获得最安全的数据发送，CAN 的每一个节点均采取了强有力的措施以进行错误检测、错误标定及错误自检。并且总线空闲时，任何单元都可以开始传送报文，具有较高优先权报文的单元可以获得总线访问权。如果2个或2个以上的单元同时开始传送报文则可以通过使用识别符的位形式仲裁解决这种冲突，当具有相同识别符的数据帧和远程帧同开始传送报文时，数据帧优先于远程帧，仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送。如果发送的是一“隐性”电平而监控视到一“显性”电平，那么该单元就失去了仲裁，必须退出发送状态CAN 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为 8个，因而传输时间短、受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点极其通信不受影响。CAN支持多主方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。在实际应用中，尤其是在现场运行环境较差，干扰严重的情况下，如何提高CAN总线的抗干扰能力，使系统更可靠运行，是设计者关注的重点。1.2 保障CAN总线安全的方法1.2.1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它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、静电(ESD)保护、故障容限，以及在热插拔过程中的保护特性等。 1. 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。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收发器在设计与测试时需要考虑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。2. 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。这样就确保了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。PWM脉冲控制器、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。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。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。3. 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。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，CAN收发器应提供短路保护。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，有的CAN收发器可以在出现这种故障情况下采用其中一根好的线路进行单线传输数据。4. 热插拔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，有的CAN收发器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。 1.2.2 适当降低总线波特率适当降低波特率可以起到抗干扰的作用，波特率下降，CAN位时间增长，对CAN波形采样时间也相应加长，躲过干扰的可能性也增大了。当然，波特率的降低必须在满足系统快速性的前提下进行。在CAN系统硬件设计阶段可采一些抗干扰措施，如在CAN控制芯片与CAN驱动间加快速光隔隔离；在CAN驱动级使用独立的隔离电源；在CAN总线间加瞬变电压吸收器等，均能提高CAN总线在工业现场的抗干扰能力。1.2.3 接入终端电阻（匹配电阻）终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射在通信过程中，有两种信号因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配，阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻，一般在总线的两端将加120欧的电阻。引起信号反射的另个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。要减弱反射信号对通讯线路的影响，通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。在实际应用中，对于比较小的反射信号，为简单方便，经常采用加偏置电阻的方法。1.2.4 光藕隔离1为了进一步提高CAN总线节点的抗干扰能力,保证各节点之间在电气上是完全隔离和独立的,可以令微控器的TX和RX管脚分别通过高速光耦与CAN收发器的TX的RX管脚相连。不过,应该特别说明的是,光耦部分电路所采用的两个电源必须完全隔离,否则采用光耦也就失去了意义。电源的完全隔离采用小功率电源隔离模块。这样做的电路虽复杂一些,但是却提高了节点的稳定性和安全性。 2在CANH和CANL与地之间并联两个30pF的小电容,可以滤除总线上的高频干扰并且具有一定的防电磁辐射的能力; 3为了减小现场对节点的干扰,有用屏蔽双绞线,且根据实际使用经验,屏蔽电缆的屏蔽层无需接地。1.2.5 采用TVS管箝制窜入总线的电压干扰CAN系统必须达到电磁干扰（EMI）和静电放电（ESD）标准的严格要求，同时提高产品的可靠性并降低产品成本、缩小尺寸，对设计人员而言，这是一个挑战。可以把降低噪音的技术以及总线保护器件加入到系统中去，而且不会增加CAN收发器电路的复杂程度，也不会增大成本。对CAN收发器的一个要求是它们必须承受得住瞬变电压所产生的很大能量的浪涌，现在有一些其他的保护器件，可以承受能量更大的浪涌。利用这些保护器件，CAN通讯系统会更加可靠。例如：在两根CAN总线接入端之间并入了5.6V的TVS（瞬变电压抑制器件）管,当CAN总线窜入电压干扰时可通过TVS管的短路起到一定的过压保护作用。 在选择此类保护器件时，要考虑到CAN的几项指标。其中包括：最高电源电压、共模电压、最大传输速度、耦合进来的电气干扰以及ESD额定值。在供电电压为最大的情况下，保护电路的击穿电压应该高于供电电压，但低于CAN收发器的最大输入电压。在一般的情况下，对于一个12V的CAN系统，应该选择击穿电压大约为30V的瞬变电压抑制（TVS）器件。这样，就可以把瞬变电压箝制在安全的电平，在TVS器件没有工作的时候又不会衰减原来的信号。击穿电压选为30V是考虑到12V电池会用24V电源充电。在接收节点和发射节点的地之间的电位差别相当大时，存在共模电压。这时在数据线上会产生高于正常电平或者低于正常电平2.0V的偏移电压。可以接在数据线上的最大电容决定了最高传输速度。如果CAN_L 和CAN_H两条线上的电容是一样的，那么信号线上允许有一些畸变。 但是每只TVS器件的电容或者每只电容器的电容很难做到都是一样的，所以，数据线的电容应当尽可能小。 数据线和电源线往往是在同一束线当中，所以它们之间存在寄生电容和寄生电感。耦合到数据线上的电气干扰是电源线上感应出来的瞬变噪音引起的，它耦合到数据线上的信号中。CAN组件一要能够承受得住这两种噪音。当一个物体，例如一个人对器件造成静电冲击时，就会出现ESD。CAN网络应该容许8.0kV的接触放电，15kV的非接触空气放电。TVS