汽車輔助系統(tǒng)CAN總線接口電路設計

　　CAN 總線接口電路主要包括：單片機、控制器接口、總線收發(fā)器和看門狗電路等。采用Philips公司生產的SJA1000控制器和與其配套的 82C250CAN收發(fā)器。按照CAN總線物理層協(xié)議選擇總線介質，設計布線方案，連接成CAN網絡。雙絞屏蔽線可設兩套，在兩套介質上同時進行信息傳輸，接收方只用一個介質。在冗余和非冗余段的連接臨界點處進行總線切換。

　　硬件電路的設計主要是CAN 通信控制器與微處理器之間和CAN總線收發(fā)器與物理總線之間的接口電路的設計。CAN通信控制器是CAN總線接口電路的核心，主要完成CAN的通信協(xié)議，而CAN總線收發(fā)器的主要功能是增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低射頻干擾（RFI），實現(xiàn)熱防護等。看門狗電路主要是實現(xiàn)對電路的監(jiān)控和復位作用。

　　目前廣泛流行的CAN總線器件有兩大類：一類是獨立的CAN控制器，如82C200、SJA1000及 Intel82526/82527等，另一類是帶有在片CAN的微控制器，如P8XC582及16位微控制器87C196CA/CB等。本課題選取 PHILIPS公司的SJA1000 CAN控制器以及82C250總線收發(fā)器，主要是考慮到SJA1000支持CAN 2.0A/B規(guī)約。而82C250可以支持110個CAN節(jié)點，并且國內市場上PHILIPS的產品型號比較多，購買比較方便。

　　單片機最小系統(tǒng)

　　本設計中，應用到單片機為ATMEL公司51系列的89C51，該型號的單片機應用廣泛，技術成熟，市場上價格便宜，而且在學習中所學到的多為該型號，在本次設計中是首選的芯片。89C51單片機作為系統(tǒng)的核心控制部分，但在本設計中不是重點講解內容，其相關技術應用和引腳特點功能等，可參照其他相關資料。設計的電路原理方框大致如下圖所示。設計中為避免出現(xiàn)時鐘信號的沖突，對單片機的外接晶振引腳XTAL1、XTAL2不接上外圍電路，而是通過控制器SJA1000的時鐘信號腳反饋給單片機。同時，對單片機的復位信號處理，RST引腳接上X5045P的RST腳，復位信號可由X5045P輸出，在X5045P芯片看門狗外圍電路的作用下，減少了以往由電阻、電容組成的簡易復位電路造成的不精確、延時高等不良作用，使單片機回復到初始狀態(tài)，完成復位操作。由于在該電路中要用到單片機的存儲作用，存儲由SJA1000傳輸過來的處理數據。因此，腳/EA接上高電平，選用片內ROM。對ALE腳，也即地址鎖存有效信號除數端是和控制器 SJA1000的ALE腳接通。

　　圖2-2 單片機最小系統(tǒng)

　　基于SJA1000的控制電路設計

　　控制器SJA1000作為本接口電路中的控制部分，應用本設計中，對于SJA1000和單片機的連接，引腳AD0~AD7是和89C51的輸出輸入腳 P0.0～P0.7相接；SJA1000的片選信號腳/CS必須由微控制器的P2.7口控制否則這個片選輸入必須接到VSS 也可以通過地址解碼控制例如當地址/數據總線用于其他外圍器件，ALE對應ALE，讀/寫輸入腳/WR、/RD，/INT和單片機的/INT0連接，由于在該系統(tǒng)中要用到相同的時鐘頻率，所以我們要時鐘信號引腳CLKOUT和單片機的XTAL1腳相連，達到頻率一致的目的；而在復位信號的處理，可以在看門狗外圍電路的RST信號輸出后再通過和非門電路的相連，很好的實現(xiàn)了電路的復位作用。而對于控制器的收發(fā)引腳TX0，TX1與RX0，RX1，在本系統(tǒng)中 TX0、RX0可和收發(fā)器82C250的TXD、RXD接通。同時，在和CPU接口中SJA1000 支持對兩個著名的微型控制器系列的直接連接80C51 、68xx 。通過SJA1000 的MODE 引腳可選擇接口模式Intel 模式 MODE 高；Motorola 模式 MODE 低。在Intel 模式和Motorola 模式里地址/數據總線和讀/寫控制信號的連接。本設計中，正是使用Intel模式。對SJA1000的Vdd1～Vdd3電源輸入腳，外接上驅動+5V電壓；而Vss1～Vss3輸出接地。設計中，對SJA1000提供16Mkz的晶振。

　　圖2-4 SJA1000控制電路

　　基于82C250收發(fā)電路設計

　　82C250是CAN控制器與物理總線間的接口，可以提供對總線的差動發(fā)送和接收能力，與IS011898標準完全兼容，并具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾、保護總線的能力。設計中，收發(fā)器的接受、發(fā)送腳原理上要和SJA1000的發(fā)送、接受腳相連接。但這樣一來，兩者的電氣不一致，造成電氣隔離，給通信帶來麻煩。為此，在它們之間接上高速光耦合器6N137，避開了電氣隔離，更好的實現(xiàn)通信聯(lián)系。82C250的TXD、RXT就對應接上6N137的輸出腳OUT和輸入腳 IN；腳Rs作為斜率控制電阻輸入端，電阻的大小可以割據總線通信速度適當調整一般在16～140KΩ之間，設計中Rs阻值為47KΩ。在通過接一個 47K電阻分流之后，可以接地。電壓引腳Vcc，其電源電壓：4.5V〈 Vcc〈 5.5V，在設計中采用5V電壓。Vref作為基準電壓輸出端，設計中可以接地。而CANH，CANL腳是信號的輸入輸出，實現(xiàn)對電平信號的傳送，通過它們連接上雙絞線，完成通信傳輸。

　　基于X5045P的電路設計

　　X5045P在本設計中做為復位、監(jiān)控電路使用，雖然增加了電路連接的復雜和成本，但對于電路的穩(wěn)定和可靠性有起到很大的作用，是系統(tǒng)中不可缺少的部分。對X5045的操作是通過4根口線CS、SCK、SI和SO進行同步串行通信來完成的。SCK是外部輸入的同步時鐘信號。在對芯片定改指令或數據時，時鐘前沿將SI引腳信號輸入；在讀郵數據時，時鐘后沿將數據位輸出到SO引腳上。數據的輸入/輸出都是高位在先。在設計中，/CS腳和單片機P1.0、 SI、 SCK、SO、RST分別與單片機的引腳P1.0~P1.3、RST連接。對于不用到的引腳，可以直接和地相連。電路設計如下：

　　圖2-10 X5045P電路監(jiān)控、復位電路

　　電源電路設計

　　設計中，對系統(tǒng)的電源都一致采用DC+5V電壓，光耦部分電路所采用的兩個電源Vcc和Vdd必須完全隔離。為此，設計電源如下所示：

　　圖2-11 電源電路

　　它由AH805升壓模塊及FP106升壓模塊組成。AH805是一種輸入1.2～3V，輸出5V的升壓模塊，在3V電池供電時可輸出100mA電流。 FP106是貼片式升壓模塊，輸入4～6V，輸出固定電壓為29±1V，輸出電流可達40mA，AH805及FP106都是一個電平控制的關閉電源控制端。兩節(jié)1.5V堿性電池輸出的3V電壓輸入AH805，AH805輸出+5V電壓，其一路作5V輸出，另一路輸入FP106使其產生28～30V電壓，經穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后輸出+12V電壓。從圖中可以看出，只要改變穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，即可獲得不同的輸出電壓，使用十分靈活。FP106的第⑤腳為控制電源關閉端，在關閉電源時，耗電幾乎為零，當第⑤腳加高電平2.5V時，電源導通；當第⑤腳加低電平0.4V時，電源被關閉?？梢杂秒娐穪砜刂苹蚴謩涌刂疲舨恍杩刂茣r，第⑤腳與第⑧腳連接。

　　接口電路總體電路原理圖

　　在本電路原理中，控制單元以單片機AT89C51為核心，選用器件SJA1000作為CAN控制器，并選用芯片82C250和6N137、X5045P作為CAN控制器接口和光耦合隔離、復位電路。在實際中，應注意以下幾個問題

　　1. SJA1000的中斷請求信號INT在中斷允許且有中斷發(fā)生時，由高電來此跳變到低電平，所以INT和AT0C51的INT0直接相連。片選信號CS和單片機引腳P2.7相連，當CS接到低電平時，SJA1000被選中，CPU可對SJA1000進行讀/寫操作。為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力。 SJA1000的TX1腳懸空，RX1引腳的電位必須維持在約0.5VCC上，否則，將不能形成CAN協(xié)議要求的電平邏輯。

　　2. SJA1000的TxD和RxD并不是直接與82C250的TxD和RxD相連而是通過高速光耦合6N137后與82C250相連，這樣就可以很好的實現(xiàn)了總線上個CAN節(jié)點的電氣隔離，不過應該特別說明一點的是光耦部分電路所采用的兩個電源Vcc和Vdd必須完全隔離，否則采用光耦也就失去了意思。電源的完全隔離可采用小功率電源隔離模塊或帶多5V隔離輸出的開關電源模塊實現(xiàn)，這些部分雖然增加了節(jié)點的復雜，但是卻提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性，保護 CAN控制器正常工作。

電子發(fā)燒友網技術編輯點評分析：

　　現(xiàn)場總線標準及其技術日益成為國際自動控制領域關注的一大焦點，其原因是它改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結構，形成了全新的網絡集成分布式控制系統(tǒng)。在我國，現(xiàn)場總線已經發(fā)展到推廣應用階段，中國已經成為各種現(xiàn)場總線激烈爭奪的重要戰(zhàn)場。因此研究現(xiàn)場總線技術及其產品就顯得尤為重要。本文正是基于控制器 SJA1000和82C250收發(fā)器的基礎上，外接上看門狗電路芯片X5045P及高速光耦合器6N137，設計CAN總線接口電路，該電路理論上很好的實現(xiàn)了設計原理要求。該設計簡單明了，在電路實現(xiàn)時，還需考慮各模塊間的接地、屏蔽等諸多問題。PCA82C250提供對物理總線的符合CAN電氣協(xié)議的差動發(fā)送和接收功能，另外，它具有的電流限制電路，還提供了對總線的進一步的保護功能。通過 82C250與物理總線進行連接，可使總線支持多達110個節(jié)點的掛接。對于CAN控制器及帶有CAN總線接口的器件，82C250并不是必須使用的器件，因為多數CAN控制器均具有配置靈活的收發(fā)接口并允許總線故障，只是驅動能力一般只允許20～30個節(jié)點連接在一條總線上。