CAN收發(fā)器故障檢測電路及算法

本應用筆記討論了MAX33011E的控制局域網（CAN）總線故障檢測特性，并通過示例代碼演示了如何在固件中實現(xiàn)故障檢測算法。

介紹

在數(shù)據(jù)未傳輸或接收時對控制區(qū)域網絡 （CAN） 進行故障排除可能會令人沮喪。Maxim在CAN收發(fā)器中開發(fā)了內置故障檢測機制，可幫助用戶快速確定根本原因。本應用筆記介紹了故障檢測機制的功能，解釋了其工作原理，并通過示例代碼演示了如何在固件中實現(xiàn)故障檢測算法。

使能故障檢測電路

MAX33011E CAN收發(fā)器需要100 TXD上升沿（通常為幾個CAN協(xié)議消息）來啟用故障檢測電路。故障檢測電路使能后，收發(fā)器仍可正常傳輸消息。

讀取和清除故障代碼

當檢測到故障情況時，發(fā)射器將被禁用，F(xiàn)AULT引腳將通過外部上拉電阻器拉高。當系統(tǒng)控制器接收到FAULT引腳信號時，TXD上需要16次從低到高的轉換來移出故障代碼，如表1所示。另外 10 個從低到高的 TXD 轉換可清除故障并禁用故障檢測電路。例如，過流故障代碼為101010，其時序圖如圖1所示。

圖1.過流故障報告時序圖

故障條件

MAX33011E是首款內置故障檢測電路的CAN收發(fā)器。當故障檢測電路使能時，它可以檢測CAN總線上的三種常見故障條件（過壓、過流和傳輸故障），如表1所示。

過流故障

當CANH的源電流和CANL的灌電流均高于85mA（典型值）時，檢測到過流故障。故障的更可能原因是總線上的CANH和CANL短路。但是，如果短路遠離CAN節(jié)點，則由于電纜阻抗高，可能無法檢測到。減慢CAN信號頻率可以降低電纜阻抗，并有助于從更遠的距離檢測短路。但是，如果電纜的總電阻變得明顯高，即使CAN信號始終處于主導模式，也無法檢測到短路。圖2顯示了過流檢測的最大工作頻率與作為參考的電纜長度的關系。使用 Cat5E 銅包鋁電纜。最大頻率因電纜類型而異。

圖2.過流檢測的最大工作頻率與電纜長度的關系

過壓故障

MAX33011E共模輸入范圍（CMR）為±25V。當CANH高于29V或CANH低于-29V時，檢測到過壓故障。這是由于 CMR 超出規(guī)范造成的。

傳輸故障故障

故障檢測電路使能后，收發(fā)器仍可傳輸消息。在正常工作條件下，RXD 會回顯 TXD 信號。如果RXD連續(xù)10個脈沖沒有回顯TXD信號，則檢測電路會產生傳輸故障。有幾個常見的可能原因使 RXD 無法回顯 TXD：

如果CANH和CANL短路至電源，并且收發(fā)器無法過驅電源，則接收器將始終在CAN總線上看到固定信號。

當共模電壓超過驅動器的共模范圍（-5V至+10V）時，驅動器關斷。當驅動器關閉時，CANH/CANL輸出不會在TXD上反射信號，接收器將在CAN總線上看到固定信號。

如果終端電阻未連接到CAN節(jié)點，則可能導致傳輸故障。終端電阻在隱性模式下使CANH和CANL達到相同的電壓電平方面起著非常重要的作用。如果沒有端接電阻，收發(fā)器的內部共模電壓緩沖器仍然可以將CANH和CANL連接在一起，但速度要慢得多?？偩€上的容性負載也會減慢CANH和CANL電壓的合并速度。當控制器向TXD發(fā)送脈沖時，如果隱性間隔不夠長，差分電壓（CANH – CANL）連續(xù)10個脈沖周期低于輸入低閾值（RXD在10個TXD脈沖中保持低電平），則將報告?zhèn)鬏敼收瞎收?。這也意味著如果TXD高電平時間過長，CAN總線信號可能進入隱性模式，RXD將變?yōu)楦唠娖?，不會報告?zhèn)鬏敼收瞎收稀z測傳輸故障故障的推薦最小TXD脈沖頻率為200kHz。

故障檢測算法

Maxim開發(fā)了一種算法，能夠利用MAX33011E可靠地檢測CAN總線上的故障條件，而不會中斷正常的CAN通信。以下所有示例 Mbed 代碼都是為 NUCLEO-F303K8 平臺開發(fā)的。?

通常，CAN網絡的每個節(jié)點都使用帶有CAN外設的微控制器。要執(zhí)行故障檢測，微控制器的 TXD 和 RXD 引腳必須配置為 GPIO，以對 TXD 信號進行位沖擊并從 RXD 讀取故障代碼。需要中斷引腳連接到MAX33011E的故障信號。

為避免中斷正常通信，該算法在進入故障檢測模式前需要對通信故障進行強指示。如果發(fā)生以下情況之一，算法將進入故障檢測模式：

故障很高。

發(fā)射器生成誤碼幀。

發(fā)射器錯誤計數(shù)器升至255以上，節(jié)點進入總線關閉狀態(tài)。

以下示例代碼在上述任何條件變?yōu)?GP 時將微控制器引腳配置為 GPIO。

我們使用STM32F303K8 MCU作為CAN控制器。此參考代碼是在 Mbed-OS 上開發(fā)的，Mbed-OS 是一個免費的開源嵌入式操作系統(tǒng)。有關更多詳細信息，請訪問：https://os.mbed.com/mbed-os/

Mbed 提供 API 將微控制器的 IO 配置為數(shù)字輸入/輸出引腳。也可以使用任何其他類似的低級 API。

DigitalOut txd (PA_12); // Configures PA_12 of MCU (TXD of CAN controller) as digital o/p pin   
DigitalIn rxd (PA_11); // Configures PA_11 of MCU (RXD of CAN controller) as digital i/p pin   

在故障檢測模式下，應使用2μs TXD正脈沖。在正脈沖之后，只要需要處理算法，TXD 就可以保持低電平。這使得故障檢測電路能夠可靠地檢測過流和傳輸故障故障。為確保TXD脈沖寬度準確，應使用定時器。下面是設置計時器的示例代碼。

首選低級 API 來配置分辨率為 2μs 的定時器。Mbed 定時器提供最低 8μs 分辨率。在本例中，使用了STM2F32K303控制器中的TIM8定時器。有關寄存器設置說明的更多詳細信息，請參閱STM32F303K8編程手冊。

static TIM_HandleTypeDef s_TimerInstance = {                                  //Creates a timer instance (TIM2)
    . Instance = TIM2
};
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE ();                                                 //Enable TIM2 APB clock (72MHz)
s_TimerInstance.Init.Period.Prescalar = 16;                                        //Set the counter prescalar value
s_TimerInstance.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;     // Set the counter in "UP" mode
s_TimerInstance.Init.Period = 500;                                                      //Set the counter period
s_TimerInstance.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;  // Set the clock divisor value to none
s_TimerInstance.Init.RepetitionCounter = 0;                                       //Disable the auto-reload 
HAL_TIM_Base_Init(&s_TimerInstance);                        // Initializes TIM base unit according to specified parameters
HAL_TIM_Base_Start(&s_TimerInstance);                                         //Start the timer in time-base mode

如果故障變?yōu)楦唠娖?，則在CAN報文傳輸中，它隨時可能變?yōu)楦唠娖?。這意味著消息最有可能在 FAULT 為高電平后結束，因此從下一個故障檢測周期讀取錯誤代碼更可靠。故障變?yōu)楦唠娖胶?，CAN外設引腳配置為GPIO。故障檢測算法將重復產生2μs TXD正脈沖，直到FAULT引腳上升沿后RXD變?yōu)楦唠娖健＝ㄗh在TXD的下降沿之后對RXD進行采樣。RXD變?yōu)楦唠娖胶螅€需要五個TXD脈沖來移出故障代碼。另外<>個TXD脈沖用于禁用故障檢測。下面是 FAULT 變高時的算法示例代碼：

InterruptIn fault (PA_0);                                 //Configure Fault pin as interrupt pin
fault.rise(&fault_init);                                            // Attach an interrupt callback function when fault pin goes high 
int state=0;                                                          // This is the state of state machine for fault detection
void fault_init()
{
     fault.rise (NULL);                                                  //Detach an interrupt till state machine gets completed
     toggle_txd_i_ticker.attach_us(&toggle_txd_i,6); // Initiate a state machine to detect a fault, each cycle is 6us
}
void toggle_txd_i()
{
      DigitalOut txd(PA_12);                                    //Configure CAN TXD pin as digital o/p
      DigitalIn rxd(PA_11);                                    // Configure CAN RXD pin as digital i/p
      DigitalIn fault_pin(PA_0);                            //Configure fault pin as digital i/p
      int status = fault_pin.read();                    //Fault pin status is stored in status variable
      static int count,N;
     

       do {                                                                  //This code toggles TXD for 2us duration using TIM2 timer
               txd = 1;
            } while (__HAL_TIM_GET_COUNTER(&s_TimerInstance) < 9);
                txd=0;
              count++;
 switch (state ){                                                   //State machine for fault detection
           case 0:     // Ignore the first high fault, giving txd pulses to clear the fault without reading fault code
             if (count >= 26 && status == 0 ) {                
                count = 0;
                state = 1;
                }                
              break;
                
           case 1:      // Fault pin is low and giving 100 fault pulses/waiting for fault pin to go High for second time
            if (count>=100 && status == 1 ) {                
                count = 0;
                state = 2;
             } 
                break;
                
            case 2:         // Second time fault activated, need to read the fault code(10 pulses + 6 pulses to read the rxd + 
                                  +10 pulses to clear the fault
               if (status == 1){        
                    if( (rxd.read() == 1 || rxd_read == 1) && i<6) {   
                        arr[k] = rxd.read();                      //Read RXD (fault code bit) and store in array
                        k++;
                        rxd_read = 1;                          //Flag to indicate that fault has been read
                     i++;   
                    }
                    }       
            else if ( status == 0  ) {    // Once fault pin becomes 0, move to state 3              
                fault_read = 1;
                rxd_read = 1;
                count = 0;
                state = 3;    
               } 
               break;
             case 3:
             if (status == 0) {
               InterruptIn fault (PA_0);          //Configure fault pin as interrupt pin
                Fault.rise(&fautl_init);             //Enable fault interrupt
                toggle_txd_i_ticker.detach();  //Disable state machine 
              }
               break;
            }                     
}    
    

對于其他兩種情況（誤碼幀和發(fā)射器錯誤計數(shù)>255），F(xiàn)AULT不一定會變高。該算法將CAN外設引腳配置為GPIO，并將重復產生2μs TXD正脈沖，直到RXD在故障上升沿后變?yōu)楦唠娖?。建議在TXD的下降沿之后對RXD進行采樣。RXD變?yōu)楦唠娖胶?，還需要五個TXD脈沖來移出故障代碼。另外 110 個 TXD 脈沖禁用故障檢測。如果 FAULT 在 <> TXD 脈沖后沒有變?yōu)楦唠娖?，則表示未檢測到故障，故障檢測模式將退出。下面是該算法的示例代碼：

在STM32F303K8 CAN控制器中，ESR（錯誤狀態(tài)寄存器）具有7：0的發(fā)送器錯誤計數(shù)器[TEC]位。如果此計數(shù)器超過 255，則啟動用于檢測故障的狀態(tài)機。此外，ESR 具有 2 位 LEC[2：0]（最后一個錯誤代碼）來指示錯誤條件，例如誤碼幀。

Int tec_count= ((CAN1->ESR) && (0x00FF0000))>>16;          //Get the transmit error counter value from ESR register
Int error_code= ((CAN1->ESR) && (0X00000070)>>4;         //Get the error code value from ESR register
if((tec_count >255) || (error_code !=0 ))
       {
            fault_init();                                              //Run the fault detection algorithm as implemented in above section
       }

審核編輯：郭婷