| 引 言
CAN(Controller Area Network)總線屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇,它是德國(guó)Bosch公司在20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。自Bosch公司推出CAN總線至今,CAN總線以其系統(tǒng)的實(shí)用性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性而倍受青睞,并獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。CAN總線是目前唯一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線,可實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng),采用非破壞性總線仲裁技術(shù),可滿足不同的實(shí)時(shí)要求,通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(傳輸率為5kb／s),通訊速率最高可達(dá)l Mb／s(傳輸距離為40m);節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè),傳輸介質(zhì)為雙絞線或光纖,報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu),帶有CRC校驗(yàn)以及其他檢錯(cuò)措施,使得數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低, 可靠性極高。CAN總線以其卓越的特性,低廉的價(jià)格,極高的可靠性和靈活的結(jié)構(gòu),已被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。
正由于CAN總線具有諸多其他總線無法比擬的特性,所以CAN在許多場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。尤其是在一些強(qiáng)干擾的惡劣環(huán)境下,比如工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),更是有著重要的應(yīng)用。因此在某些應(yīng)用領(lǐng)域,由于現(xiàn)場(chǎng)情況十分復(fù)雜,各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在很高的共模電壓。雖然CAN接口采用的是差分傳輸方式,具有一定的抗共模干擾的能力,但當(dāng)共模電壓超過CAN驅(qū)動(dòng)器的極限接收電壓時(shí),CAN驅(qū)動(dòng)器就無法正常工作了,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)䶮龤酒蛢x器設(shè)備。因此,在強(qiáng)干擾環(huán)境中,或是高的性能要求下,就必須對(duì)CAN總線各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)實(shí)行電氣隔離。
傳統(tǒng)的CAN總線隔離方法是光耦合器技術(shù),使用光束來隔離和保護(hù)檢測(cè)電路以及在高壓和低壓電氣環(huán)境之間提供一個(gè)安全接口。目前一般使用6N137光電隔離器件,以Toshiba公司的6N137為例,該器件工作電壓為5V,最高速率10Mbps,工作溫度一般為0℃到70℃,隔離電壓2500Vrms,并且以DIP8型封裝,每個(gè)芯片僅提供一個(gè)隔離通道。這些性能已經(jīng)限制了6N137在更高要求的環(huán)境中應(yīng)用。因此,ADI公司推出的新型雙通道數(shù)字隔離器ADUM1201以其諸多優(yōu)于光電隔離器件的性能優(yōu)點(diǎn),在CAN總線以及其他高要求情況下有著廣泛的應(yīng)用前景。
ADUM1201
ADUM1201基于ADI獲獎(jiǎng)的iCoupler數(shù)字隔離器采用平面磁場(chǎng)專利隔離技術(shù)。iCoupler技術(shù)是一項(xiàng)專利隔離技術(shù),它是基于芯片尺寸的變壓器,而不是基于光電耦合器所采用的LED與光電二極管的組合。iCoupler技術(shù)由于取消了光電耦合器中的光電轉(zhuǎn)換過程,并且采用了iCoupler變壓器專利技術(shù)集成變壓器驅(qū)動(dòng)和接收電路,從而實(shí)現(xiàn)了光電隔離器無法比擬的性能優(yōu)勢(shì)。由于使用晶片級(jí)制造工藝直接在芯片上制造iCouple變壓器,所以iCoupler通道比光電耦合器有效地實(shí)現(xiàn)通道之間的集成以及比較容易地實(shí)現(xiàn)其它半導(dǎo)體功能。
由于沒有光電耦合器中影響效率的光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),所以iCoupler數(shù)字隔離器不需要驅(qū)動(dòng)LED的外部電路,其功耗僅為光電耦合器的1/10到1/50。這種新的基于電磁的隔離方法,在抗高溫影響方面遠(yuǎn)優(yōu)于光耦合器,iCoupler數(shù)字隔離器在125℃高溫環(huán)境下性能和可靠性并不下降,因此可以采用低成本,小體積的SOIC封裝,這樣不但降低了成本還減小了芯片的體積。另外,iCoupler數(shù)字隔離器的隔離通道具有比光電耦合器更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、時(shí)序精度和瞬態(tài)共模抑制能力。其額定隔離電壓是高隔離度光電耦合器的2倍,并且數(shù)據(jù)傳輸速率和時(shí)序精度是其10倍。此外,與光電耦合器不同的是,多通道iCoupler數(shù)字隔離器能在同一芯片內(nèi)提供正向和反向通信通道,這樣就可以使得信號(hào)的傳輸方向更加靈活,簡(jiǎn)化了芯片間的硬件連接線路。
由于基于iCoupler技術(shù),所以ADUM1201具有諸多優(yōu)于光電隔離器的優(yōu)點(diǎn)：
●速度更高 最高速率可以達(dá)到25Mbps。
●功耗更低 功耗低于同數(shù)據(jù)傳輸率時(shí)傳統(tǒng)光電隔離器的1/10,最小工作電流0.8mA。
●性能更高 時(shí)序精度,瞬態(tài)共模抑制力,通道間匹配程度均優(yōu)于傳統(tǒng)光電隔離器。
●體積更小 集成度更高,印制電路板（PCB）面積為傳統(tǒng)光電隔離器的40％。
●價(jià)格更便宜 每通道成本為傳統(tǒng)光電隔離器的40％。
●應(yīng)用更靈活 與傳統(tǒng)光電耦合器不同的是,多通道iCoupler數(shù)字隔離器能在同一芯片內(nèi)提供正向和反向通信通道。
ADUM1201所隔離的兩端有各自的電源和參考地,電源電壓范圍在2.7V到5.5V之間,這樣可以實(shí)現(xiàn)低電壓供電,從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。電源和參考地之間需要接入0.01μF到0.1μF電容,以濾除高頻干擾,電容和電源之間的距離應(yīng)該在20mm以內(nèi),這樣可以達(dá)到更好的濾波效果。由于兩個(gè)隔離通道高度匹配,通道間串?dāng)_很小,并且采用兩通道輸入輸出反向設(shè)計(jì),非常適合CAN總線雙向收發(fā)的特性,大大簡(jiǎn)化可隔離器與所隔離兩端的硬件連接。需要注意的是GND1與GND2是兩個(gè)不同的參考地,否則將達(dá)不到隔離的效果。
另外需要注意的是ADUM1201正常工作時(shí),兩端的供電源需要同時(shí)上電才能保證ADUM1201兩通道都能正常工作,如果有一個(gè)沒有上電就能導(dǎo)致整個(gè)芯片無法正常工作。
ADUM1201在CAN總線通信系統(tǒng)中應(yīng)用
在CAN總線通信節(jié)點(diǎn)中,雙通道數(shù)字式隔離器ADUM1201用來實(shí)現(xiàn)CAN控制器和CAN驅(qū)動(dòng)器之間的電氣隔離,以到達(dá)更好的抗干擾性能。一般放在CAN控制器與CAN驅(qū)動(dòng)器之間,也有的CAN控制器被集成在微控制器內(nèi)部,那么用ADUM1201實(shí)現(xiàn)微控制器和CAN驅(qū)動(dòng)器的隔離即可。
我們用CAN總線組成了一個(gè)傳送高速公路能見度預(yù)警信號(hào)的遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)。其中利用ADUM1201實(shí)現(xiàn)CAN總線節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離。CAN總線的具體硬件電路圖如圖1所示,由圖可見,整個(gè)硬件電路由微控制器,隔離芯片,CAN總線驅(qū)動(dòng)芯片三部分組成。微控制器選用微芯公司新款集成CAN總線控制器的PIC18LF458芯片,它是8位COMS單片機(jī),內(nèi)部采用哈佛總線結(jié)構(gòu),使得全部指令單字節(jié)、單周期化,有利于提高CPU執(zhí)行指令的速度,從而提高單片機(jī)的運(yùn)行速度。同時(shí),最低2V供電電壓,大大降低系統(tǒng)的功耗,以上特點(diǎn)不光滿足了系統(tǒng)需要快速響應(yīng)的實(shí)時(shí)性要求,而且滿足了系統(tǒng)需要全天候長(zhǎng)時(shí)間工作的低功耗要求。CAN驅(qū)動(dòng)器我們選用微芯公司的CAN總線驅(qū)動(dòng)芯片MCP2551,它完全兼容ISO－11898標(biāo)準(zhǔn),最高速率可達(dá)1Mbps,提供了比82C250更好電磁輻射和抗電磁干擾能力性能,為了更好的確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性,外加電阻R2和R3起限流作用,防止MCP2551受過流沖擊,電容C3和C4為小電容以濾除總線上的高頻干擾和防止電磁輻射,D1和D2為防雷擊管,用來防止總線上的瞬變干擾。
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圖1 單片機(jī)與CAN總線的硬件連接
隔離芯片ADUM1201處于系統(tǒng)的中間,用來隔離各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn),它比傳統(tǒng)的光電隔離具有更好的性能,ADUM1201消除了傳統(tǒng)光電隔離器不確定的傳輸速率,非線性的傳輸函數(shù),以及溫度和壽命對(duì)器件的影響,不需要其他的驅(qū)動(dòng)和分立元件,提供了更見穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化性能,而且在相同的信號(hào)傳輸速率下功耗只有光電隔離器的1/10到1/ |
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