采用ADuM1201的CAN總線隔離方法

引言

can（controller area network）[3]總線又稱控制局域網(wǎng)絡(luò)，最早由德國(guó)bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。can已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。其總線規(guī)范已被iso國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。can的主要優(yōu)點(diǎn)：1、為多主工作方式，可以很方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)；2、可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及廣播方式收發(fā)數(shù)據(jù)，通信速率最高可達(dá)1mb/s（此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40m），實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)100個(gè)，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率在5kb/s以下）；3、can網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)可分為不同的優(yōu)先級(jí)，以滿足不同的實(shí)時(shí)要求；4、采用非破壞性仲裁技術(shù)，能夠有效地避免總線沖突；5用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)（短幀傳輸時(shí)間短、受干擾概率小、重發(fā)時(shí)間短，每幀信息都有crc校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，可保證數(shù)據(jù)的低出錯(cuò)率；6、通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活地；7、總線節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

基于can總線的智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)有經(jīng)典的電路，本文介紹一種新的思路，可應(yīng)用煤礦等場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)概述

如圖1所示，本系統(tǒng)由單片機(jī)、隔離器、can控制器和外擴(kuò)的ram組成，其中，單片機(jī)選擇atmel公司推出的t89c51cc01[4]，它是一種功能強(qiáng)大的8位微控制器，自帶can控制器和32kb flash存儲(chǔ)器的8位微處理器，與8051系列單片機(jī)兼容，靜態(tài)時(shí)鐘模式；其周期時(shí)間為300ns，內(nèi)有32kb閃速程序存儲(chǔ)器，可在系統(tǒng)編程（isp），包括有2kb閃速引導(dǎo)存儲(chǔ)器，2kb eeprom和1.2kb ram；可控制15個(gè)can通道，這些通道可編程用于接收、發(fā)送或接收緩沖器，可為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供硬件支持，并且內(nèi)部還有a/d轉(zhuǎn)換和pwm發(fā)生器等其他功能。

at89c51cc01輸出的信號(hào)不能與物理總線直接相連，必須使用can總線收發(fā)器，因此外接了基于can總線協(xié)議的總線收發(fā)器pca82c250，選擇了經(jīng)典的控制電路，pca82c250是can控制器與總線之間的物理接口，可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能，針對(duì)canl和canh的兩種輸出狀態(tài)，總線具有兩種不同的電平，這兩種電平可以差分輸入，接收端呈現(xiàn)顯性或隱性兩種狀態(tài)。同時(shí)，使用pca82c250可以增長(zhǎng)通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力。

由于現(xiàn)場(chǎng)情況十分復(fù)雜，各節(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(guò)can驅(qū)動(dòng)器的極限接收電壓時(shí)，can驅(qū)動(dòng)器就無(wú)法正常工作了，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備，因此，為了適應(yīng)強(qiáng)干擾環(huán)境或是高的性能要求，必須對(duì)can總線各通信節(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(lái)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，其工作電壓為5v，最高速率10mbps，工作溫度一般為0－70℃，隔離電壓為2500v（有效值），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，因此本系統(tǒng)采用了adi公司推出的新型雙通道數(shù)字隔離器adum1201。adum1201有諸多優(yōu)于光電隔離器件性能的地方，可滿足can總線的要求。

雖然at89c51cc01內(nèi)部有1kb的eram可用來(lái)存儲(chǔ)程序，但是為了保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)具有足夠大的空間，設(shè)計(jì)中外擴(kuò)了128字節(jié)的ram，即61c1024，具體電路連接如圖2所示。

pca82c250將接收到的所有總線上傳輸?shù)膸ㄟ^(guò)電流和電壓隔離，傳送到t89c51cc01的can模塊，can模塊比較接收碼寄存器和幀的id碼，相等的則接收，并引發(fā)一個(gè)接收中斷，在接收中斷的處理中，at89c51cc01讀取can模塊接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，將其傳送到61c1024的雙口ram中，最后，pc通過(guò)pci總線定時(shí)讀取61c1024雙口ram中的數(shù)據(jù)。

另外，這里用到的單片機(jī)at89c51cc01也可用at89c51cc03[5]來(lái)代替，兩者的比較如表1所列。

2 adum1201

adum1201是adi公司推出的新產(chǎn)品。它采用的icoupler技術(shù)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。這種技術(shù)由于取消了光電耦合器中的光電轉(zhuǎn)換過(guò)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(wú)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icouple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)其他半導(dǎo)體功能。

由于沒(méi)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)字隔離器無(wú)需驅(qū)動(dòng)led的外部電路，功耗僅為光電耦合器的1/10－1/50。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)提供正像和反向通信通道，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。

adum1201具有諸多優(yōu)于光電隔離器的優(yōu)點(diǎn)：

1、速度更高--最高速率可以達(dá)到25mbps；
2、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，最小工作電流為0.8ma；
3、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；
4、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％；
5、價(jià)格更便宜--每通道成本為傳統(tǒng)光電隔離器的40％；
6、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，電源電壓為2.7－5.5v，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，系統(tǒng)中使用的電源是5v。電源和參考地之間接入0.01－0.1μf電容，以消除高頻干擾，電容和電源之間的距離應(yīng)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；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(méi)有上電就能導(dǎo)致整個(gè)芯片無(wú)法正常工作，相關(guān)電路連接如圖3所示，其中兩個(gè)in4148為防雷擊管，用來(lái)防止總線上的瞬變干擾。

隔離芯片adum1201處于系統(tǒng)的中間，用來(lái)隔離各傳感器節(jié)點(diǎn)，比傳統(tǒng)的光電隔離器件具有更好的性能。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，無(wú)需其他驅(qū)動(dòng)和分立元件，提供了更加穩(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1/10－1/6。另外，adum1201以單一芯片實(shí)現(xiàn)了can總線節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離，并采用雙轉(zhuǎn)化通道，兩通道方向相反的特殊結(jié)構(gòu)，非常適合于can總線信號(hào)的傳輸，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，同時(shí)，由1個(gè)隔離芯片代替以往的2個(gè)，大大增加了通道間的匹配程度，使系統(tǒng)獲得更好的隔離性能。

結(jié)語(yǔ)

本節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)利用傳統(tǒng)的經(jīng)典電路，并外adum1201代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電隔離器件，降低了系統(tǒng)功耗，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，綜合了系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的性能，成板之后調(diào)試效果良好，并且為基于can總線的智能節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。