摘要：在總線通信中，總線設(shè)備中的MCU需要連接一個(gè)總線收發(fā)器接入到總線網(wǎng)絡(luò)中，如果MCU的供電電壓與收發(fā)器電壓不匹配時(shí)，會(huì)出現(xiàn)什么情況？本文將以CAN總線為例從接口電平的角度為你解析電平匹配的重要性。
一、CMOS電平
現(xiàn)大部分?jǐn)?shù)字集成電路采用的是CMOS工藝，其接口的電平大致符合如下定義：
VIL<0.3Vcc；VIH>0.7Vcc；
VOL<0.1Vcc；VOH>0.9Vcc。
以常見的5V、3.3V系統(tǒng)為例，相應(yīng)的接口參數(shù)如表1。
表1 不同供電下的電平要求
注：表中數(shù)據(jù)僅為計(jì)算參考值，器件實(shí)際參數(shù)需參考相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)。
二、電平不匹配
為了確保兩個(gè)器件的信號(hào)可靠傳輸，必須保證：
u驅(qū)動(dòng)器輸出的VOH(MIN) 必須高于接收器輸入的VIH(MIN)；
u驅(qū)動(dòng)器輸出的VOL(MAX) 必須低于接收器輸入的VIL(MAX)；
u驅(qū)動(dòng)器輸出的輸出電壓不得超過接收器輸入的I/O電壓容差；
當(dāng)兩個(gè)CMOS器件連接在一起時(shí)，若供電電壓一致，信號(hào)傳輸不存在問題。若兩個(gè)器件供電電壓不一致，則會(huì)存在電平不匹配問題。
以3.3V器件與5V器件連接為例，會(huì)出現(xiàn)以下兩個(gè)問題：
u5V器件輸入引腳可能無法識(shí)別3.3V器件輸出的高電平
如圖 1，3.3V器件輸出VOH最大值3.3V也無法達(dá)到5V器件VIH的最小值3.5V，無法保證3.3V器件輸出的高電平被正確識(shí)別。由于器件設(shè)計(jì)有一定余量，在測(cè)試時(shí)可能仍可正常工作，但存在風(fēng)險(xiǎn)，如出現(xiàn)器件電壓波動(dòng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問題。
圖1 3.3V器件輸出，5V信號(hào)輸入
u5V器件輸出高電平可能損壞3.3V器件輸入接口。
如圖 2，5V器件輸出高電平信號(hào)遠(yuǎn)高于3.3V，若3.3V器件輸入引腳不支持5V電平輸入，則工作時(shí)會(huì)有電流灌入3.3V器件，嚴(yán)重會(huì)造成器件損壞。
圖2 5V信號(hào)輸出，3.3V信號(hào)輸入
三、隔離收發(fā)器選型
以CTM1051(A)M系列產(chǎn)品為例，其內(nèi)部采用的CMOS技術(shù)的芯片，引腳電平如圖3，符合CMOS電平標(biāo)準(zhǔn)。在選型時(shí)，應(yīng)該針對(duì)不同的MCU選擇相應(yīng)型號(hào)，才能杜絕因電平不匹配產(chǎn)生問題，若MCU為5V供電，應(yīng)選擇CTM1051M；若MCU為3.3V供電，則選擇CTM1051AM。
圖3 CTM1051(A)M引腳電平
四、實(shí)際案例
客戶使用于我司一款隔離CAN收發(fā)器模塊，已經(jīng)大批量出貨，但應(yīng)用中出現(xiàn)個(gè)別異常現(xiàn)象。異常產(chǎn)品表現(xiàn)為CAN總線間歇性通訊故障。當(dāng)產(chǎn)品處于高溫環(huán)境時(shí)（如65℃），對(duì)其進(jìn)行重復(fù)上電，可復(fù)現(xiàn)通訊故障現(xiàn)象。
1.復(fù)現(xiàn)異常
將異常品置于65℃的烤箱中，并對(duì)以下信號(hào)進(jìn)行測(cè)試： MCU供電、TXD、CAN差分、CAN模塊供電。未出現(xiàn)異常時(shí)，各點(diǎn)波形如圖4。可以看到，MCU是3.3V供電，電壓穩(wěn)定在3.2V左右，CAN模塊供電穩(wěn)定在5.07V左右，CAN差分波形與TXD信號(hào)對(duì)應(yīng)無異常。
圖4 正常時(shí)波形
對(duì)異常板卡進(jìn)行重復(fù)上電，CAN總線出現(xiàn)大量錯(cuò)誤幀，問題復(fù)現(xiàn)。異常時(shí)，各點(diǎn)波形如圖5，MCU供電電壓、CAN模塊供電電壓同時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，并出現(xiàn)異常位。異常位出現(xiàn)時(shí)，MCU供電下降到3.08V，CAN模塊供電上升至5.19V。
圖5 異常時(shí)波形
仔細(xì)觀察異常位波形，如圖6，發(fā)現(xiàn)TXD變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，CAN差分電平并未跟隨變化，而當(dāng)TXD再次出現(xiàn)一個(gè)小的噪聲尖峰時(shí)，CAN差分電平才變?yōu)殡[性電平。結(jié)合此時(shí)MCU供電電壓下降，CAN模塊供電反而上升的情況，初步確定問題是因供電電壓波動(dòng)，造成TXD高電平無法識(shí)別導(dǎo)致。
圖6 異常位波形
2.問題定位
因懷疑TXD電平無法識(shí)別，對(duì)CAN模塊的TXD高電平閥值電壓值進(jìn)行測(cè)試。不同輸入電壓下，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3。
表3 異常品TXD高電平閥值電壓
從測(cè)試數(shù)據(jù)看出，在不同的環(huán)境溫度下，TXD高電平閥值電壓變化均不大。4.75V供電時(shí)，閥值約2.91V；5V供電時(shí)，閥值約3.06V；5.25V供電時(shí)，閥值約3.2V。
如圖5，異常位出現(xiàn)時(shí)，CAN模塊的供電為5.19V，此時(shí)TXD高電平閥值應(yīng)該約為3.17V，而MCU的供電僅為3.08V，IO輸出電壓無法達(dá)到3.17V，故無法識(shí)別高電平。當(dāng)TXD出現(xiàn)噪聲尖峰時(shí)，使TXD短時(shí)間高于3.17V，觸發(fā)CAN模塊內(nèi)部切換，總線差分信號(hào)發(fā)生變化。
此處驗(yàn)證了上文的猜測(cè)，確定故障發(fā)生原因?yàn)椋焊邷厣想姇r(shí)，MCU、CAN模塊供電電壓出現(xiàn)波動(dòng)，CAN模塊的TXD引腳無法識(shí)別MCU發(fā)生的高電平信號(hào)，導(dǎo)致錯(cuò)誤幀持續(xù)出現(xiàn)，造成CAN通信中斷。
3.解決方案
更換為電平匹配的隔離模塊后（由5V隔離模塊更換成3.3V隔離模塊），TXD高電平閥值電壓及CAN總線通訊電平幅值如下圖7所示，均已恢復(fù)正常幅值，通訊無異常。
圖7 更換模塊后的TXD高電平閥值以及CAN總線電平