汽車輔助系統(tǒng)CAN總線接口電路設計 —電路圖天天讀(38)
總體方案設計
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201710/369516.htmCAN 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(chǎn)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(wǎng)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??撮T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(nèi)市場上PHILIPS的產(chǎn)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(nèi)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(shù)據(jù)。因此,腳/EA接上高電平,選用片內(nèi)ROM。對ALE腳,也即地址鎖存有效信號除數(shù)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?shù)刂?數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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
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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(jù)總線通信速度適當調(diào)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(shù)據(jù)時,時鐘前沿將SI引腳信號輸入;在讀郵數(shù)據(jù)時,時鐘后沿將數(shù)據(jù)位輸出到SO引腳上。數(shù)據(jù)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
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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(chǎn)生28~30V電壓,經(jīng)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?shù)冖菽_加高電平2.5V時,電源導通;當?shù)冖菽_加低電平0.4V時,電源被關閉??梢杂秒娐穪砜刂苹蚴謩涌刂?,若不需控制時,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(wǎng)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(wǎng)絡集成分布式控制系統(tǒng)。在我國,現(xiàn)場總線已經(jīng)發(fā)展到推廣應用階段,中國已經(jīng)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(chǎn)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(shù)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。
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