SN65HVD257 CAN EVM：功能安全与冗余CAN网络的设计与应用

在当今的电子系统设计中，CAN（Controller Area Network）总线凭借其高可靠性、实时性和抗干扰能力，被广泛应用于汽车、工业自动化等众多领域。为了满足系统对功能安全的更高要求，冗余CAN网络的设计变得愈发重要。本文将详细介绍德州仪器（Texas Instruments）的SN65HVD257 CAN EVM（Controller Area Network Evaluation Module），探讨其在功能安全和冗余CAN网络设计中的应用。

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一、SN65HVD257概述

1.1 产品特性

德州仪器提供了一系列高速CAN收发器，SN65HVD257便是其中之一。它兼容ISO11898 - 2和ISO11898 - 5高速CAN标准，有5V (V{CC}) 、3.3V (V{CC}) 等多种供电选择，还具备IO电平转换和电气隔离等功能。该收发器具有低功耗待机模式（有/无唤醒功能）、静默模式、回环和诊断模式等多种特性，适用于功能安全网络，如冗余CAN网络。

1.2 性能优势

SN65HVD257满足ISO1189 - 2高速CAN物理层标准，是SN65HVD251和ISO1050的下一代产品。它具有快速的循环时间和广泛的总线负载能力，在长距离和高负载网络中数据速率可达1Mbps，在小型网络中数据速率更高。同时，该设备具备多种保护功能，能增强设备和CAN网络的鲁棒性。它有正常模式和静默模式两种工作模式，可通过引脚8进行选择，FAULT引脚可指示TXD占空比超时、RXD占空比超时、热关断和欠压故障等。

二、SN65HVD257在冗余物理层CAN网络拓扑中的应用

2.1 拓扑灵活性

CAN总线通常采用标准的线性总线拓扑和120Ω双绞线电缆。SN65HVD257允许在非标准拓扑中使用CAN物理层，仅需一个CAN链路层控制器（μP）接口，大大增加了总线物理拓扑的灵活性，同时降低了数字控制器和软件成本。

2.2 冗余网络构建示例

通过将两个SN65HVD257设备通过与门逻辑并联，可以构建冗余（并行）物理层CAN网络。在这个网络中，收发器的RXD输出通过与门连接，使链路层逻辑（μP）能从任何分支接收到显性位（低电平），在链路层及以上层面，这些分支看起来就像一个单一的物理网络。

RXD占空比超时（DTO）功能可防止单个分支的总线显性故障影响整个网络。当故障发生时，该分支上收发器的RXD引脚会在 (t_{RXD_DTO }) 时间后恢复到隐性状态（高电平），网络的其余分支仍可正常工作。故障分支上收发器的FAULT引脚会将故障信息输出给主机处理器，以便诊断故障情况。

此外，通过异或门结合两个分支的RXD输出，并添加滤波电路，可以自动检测分支开路（隐性）故障。当显性位（低电平）时，若两个分支的RXD输出不匹配，异或电路会输出逻辑高电平。输出端的小RC滤波器可消除因分支和收发器之间的小时间差异导致的误输出。异或输出和收发器的FAULT输出可连接到主机微处理器的边沿触发中断引脚，以便在冗余网络出现问题时进入专门的软件程序。

三、SN65HVD257 CAN EVM介绍

3.1 EVM硬件组成

SN65HVD257 CAN EVM由2个CAN总线“节点”和必要的逻辑电路组成，用于构建功能安全网络。它预先配置为冗余CAN网络应用，包含与门用于组合两个总线的RXD输出，以及异或门和滤波器（50kHz）用于检测总线开路故障。

EVM提供了与CAN收发器设备所有必要引脚的简单连接，以及构建冗余网络所需的逻辑电路。必要时，还提供了跳线以灵活配置设备引脚和CAN总线。同时，它还设有测试点（环路），用于评估关键参数，如GND、 (V_{CC}) 、TXD、RXD、CANH、CANL、S、FAULT等。

3.2 总线配置选项

EVM支持多种CAN总线配置选项。它预先配置了两个120Ω电阻，可通过跳线连接到总线上。在作为终端线端使用时，可使用单个电阻；在进行电气测量时，可将两个电阻并联，以模拟收发器在正确终端网络中“看到”的60Ω负载。此外，若应用需要“分裂”终端、TVS二极管保护或共模（CM）扼流圈，EVM还提供了相应的元件安装位置。

四、SN65HVD257 EVM的设置与操作

4.1 基本操作设置

• 电源供应：EVM的基本设置需要一个单一的电源，可通过TB1、JMP1头或 (V{CC}) 和GND测试点环路提供 (V{CC}) 。供电必须满足被测收发器的 (V{CC}) 规格要求，LED D3可指示 (V{CC}) 状态。
• 主电源和IO头（JMP1）：所有关键IO和电源GND功能都连接到这个头，可用于连接测试设备，也可通过短电缆连接到现有的客户应用板、MCU或DSP EVM板。
• TXD输入：JMP1上的TXD输入通过信号TXDprime连接到两个收发器的TXD引脚（引脚1），用于在两个总线上进行冗余（并行）传输。可通过TP5（收发器1）和TP18（收发器2）观察该信号。
• RXD输出：收发器通过与门的RXD（组合）输出连接到JMP1。可通过TP8（收发器1）和TP21（收发器2）分别观察RXD信号。组合的RXD（RXDprime）信号路径到JMP1头预先安装了一个0Ω串联电阻R20。
• S引脚（模式选择）：收发器的引脚8是模式控制引脚，可通过JMP1、JMP2和JMP8进行配置。可将其设置为上拉到 (V_{CC}) （静默模式）或下拉到GND（正常模式）。
• FAULT输出：收发器1和2的引脚5分别是故障输出引脚，可通过JMP1和相应的测试点（TP10和TP23）观察。这些输出可指示RXD DTO、TXD DTO、热关断或欠压故障。
• FLT3（总线开路故障）：FLT3是两个收发器（总线）输出的滤波异或组合的故障输出。当两个总线不匹配时，FLT3会发生状态转换，指示其中一个总线开路。该逻辑的输出滤波器预先安装了一个截止频率为50kHz的滤波器，用户可根据目标应用的要求进行调整。

4.2 CAN总线负载和终端配置

EVM的每个总线都配备了两个120Ω功率电阻，可通过跳线在CANH和CANL之间选择。使用一个电阻时，EVM可作为总线的终端；使用两个电阻并联时，可模拟60Ω负载进行电气参数测量。此外，若应用需要分裂终端，EVM还提供了相应的安装位置。分裂终端时，需注意匹配电阻，共模滤波器频率可通过 (f_{c}=1 /(2 pi R C)) 计算，通常分裂电容范围为4.7nF至100nF。

4.3 CAN总线保护和滤波配置

EVM提供了各种保护方案的元件安装位置，以增强系统在极端EMC要求下的鲁棒性。常见的保护元件包括CM扼流圈（如TDK ACT45B系列和EPCOS B82789系列，电感范围为11µH至100µH）、总线滤波电容（通常为100pF或更小）、TVS二极管（如MMBZ系列，27V或更低）和压敏电阻（如TDK AVR系列）。

4.4 客户可安装的IO选项

EVM的PCB上设有各种滤波和保护选项的安装位置，可根据CAN网络拓扑要求进行调整。每个数字输入或输出引脚都有安装串联限流电阻（默认安装0Ω）、上拉或下拉电阻以及接地电容的位置，可实现RC滤波（适用于嘈杂环境）。此外，RC输出滤波焊盘还可重新用作电阻分压器网络，将输出电平转换为3.3V。

五、SN65HVD257 EVM配置为两个独立网络

5.1 收发器1头（JMP3）配置

• TXD1输入：JMP3上的TXD1输入连接到收发器1（U1）和TP5。重新配置EVM时，需移除R8以断开TXDprime与U1的连接，并安装R4（0Ω电阻或根据应用选择的限流串联电阻）将TXD1信号路由到U1。
• RXD1输出：收发器1（U1）的RXD1输出路由到JMP3和TP8。若不希望对组合与门U2产生寄生负载，可移除R17。
• S1输入（模式选择）：收发器1的引脚8是模式控制引脚，可通过JMP3、JMP2和TP6进行配置。可将其设置为上拉到 (V_{CC}) （静默模式）或下拉到GND（正常模式）。
• FLT1输出：收发器1的引脚5是故障输出引脚，可通过JMP3和TP10观察。该输出可指示RXD DTO、TXD DTO、热关断或欠压故障。

5.2 收发器2头（JMP7）配置

• TXD2输入：JMP7上的TXD2输入连接到收发器2（U5）和TP5。重新配置EVM时，需移除R32以断开TXDprime与U5的连接，并安装R28（0Ω电阻或根据应用选择的限流串联电阻）将TXD2信号路由到U5。
• RXD2输出：收发器2（U5）的RXD2输出路由到JMP7和TP21。若不希望对组合与门U2产生寄生负载，可移除R21。
• S2输入（模式选择）：收发器2的引脚8是模式控制引脚，可通过JMP7、JMP8和TP19进行配置。可将其设置为上拉到 (V_{CC}) （静默模式）或下拉到GND（正常模式）。
• FLT2输出：收发器2的引脚5是故障输出引脚，可通过JMP7和TP23观察。该输出可指示RXD DTO、TXD DTO、热关断或欠压故障。

5.3 两个节点的回环连接

EVM通过JMP12和JMP13提供了将两个节点（收发器）连接在一起作为单个CAN网络的路径。在节点1（收发器1，U1）上，将CANH1和CANL1跨接在JMP5和JMP12上；在节点2（收发器2，U5）上，将CANH2和CANL2跨接在JMP10和JMP13上，即可实现CANH1与CANH2、CANL1与CANL2的连接。

六、总结

SN65HVD257 CAN EVM为工程师提供了一个强大的工具，用于评估SN65HVD257 CAN收发器在功能安全和冗余CAN网络中的性能。通过灵活的配置选项和丰富的测试点，工程师可以方便地进行各种实验和调试，满足不同应用场景的需求。在实际设计中，工程师应根据具体的系统要求，合理选择EVM的配置选项，确保CAN网络的可靠性和稳定性。同时，在使用EVM时，务必遵守相关的安全注意事项，避免因操作不当导致设备损坏或安全事故。你在使用SN65HVD257 CAN EVM的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。