惡劣電磁環(huán)境中的CAN總線接口電路設(shè)計

摘要：CAN總線已經(jīng)形成國際標準(ISO11898)，并已成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信的主流技術(shù)之一。本文介紹了一種應(yīng)對惡劣電磁環(huán)境的CAN接口電路。首先對接口電路總體框圖進行介紹，然后著重對隔離部分、CAN總線收發(fā)器部分及外圍電路元器件選擇進行了詳細說明，最后，對設(shè)計的實驗測試情況進行了描述。
關(guān)鍵詞：CAN總線；隔離設(shè)計；光耦；干擾

引言
    CAN總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信同絡(luò)，以其裔性能和高可靠性在自動控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。CAN總線最初是為汽車應(yīng)用開發(fā)的，規(guī)定了一種2線串行通信協(xié)議，支持高達1 Mbps的數(shù)據(jù)速率、多達30個節(jié)點和40 m的最大電纜長度。目前CAN總線主要用于汽車自動化領(lǐng)域，在工業(yè)過程控制領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。
    工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中存在著許多瞬變脈沖，這些瞬變脈沖會影響到數(shù)據(jù)的傳輸，甚至傷害互連的設(shè)備。為了能夠在高速現(xiàn)場總線通信時實現(xiàn)無錯誤的數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計工程師必須要對這些干擾進行處理，通常會使用具有絕緣隔離功能的光電耦合器來維持數(shù)據(jù)的完整性，并保護互連設(shè)備。對于應(yīng)用于重型卡車、大型客車、油罐車等更為惡劣電磁環(huán)境中的車身總線產(chǎn)品，對CAN總線抗干擾能力有更嚴格的要求，通常需要CAN總線電源部分也實現(xiàn)物理隔離。文中推薦了一組電源隔離和光耦隔離芯片IB0505LT-W75和ACSL-6210，并提供了一種CAN總線收發(fā)器和外圍器件設(shè)計參考電路。

1 CAN總線接口電路總體設(shè)計
    CAN總線接口電路主要包含如下部分：控制器部分、收發(fā)器部分、隔離部分、外圍電路部分及供電電源。CAN總線通信的核心芯片是CAN總線控制器，CAN總線的通信協(xié)議主要是由它完成的，它可以實現(xiàn)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。CAN總線控制器有許多芯片結(jié)構(gòu)，獨立芯片的例如Philips公司的SJA1000，Siemens公司的82C900等，還有和微處理器集成在一起的嵌入型結(jié)構(gòu)。本設(shè)計中根據(jù)智能化程度高、可靠性高，抗干擾能力強、成本低等要求，采用ST公司的STM32F103系列單片機內(nèi)嵌CAN總線控制器方案。
    CAN總線收發(fā)器芯片使用TI公司的汽車級收發(fā)器SN65HVDA541一Q1，芯片設(shè)計遵循CAN總線國際標準ISO 11898—1／2，通信支持SAEJ1939 NMEA 2000標準的CAN總線數(shù)據(jù)接口，最大傳輸速率為1 Mbps，采用5 V主電源供電，工作溫度為-40～125℃。

    隔離設(shè)計部分和外圍電路部分對電路穩(wěn)定性和抗干擾能力有較大的影響，本文將著重討論。CAN總線接口電路總體框圖如圖1所示。

2 電路隔離設(shè)計
    電路隔離設(shè)計包含兩部分：一是CAN總線通信總線隔離設(shè)計；二是CAN總線收發(fā)器及外圍電路供電電源隔離設(shè)計。
    CAN總線隔離采用通用的光耦隔離方式，光耦隔離的原理就是利用半導(dǎo)體光敏感器件和發(fā)光二極管組成隔離電路。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，從而完成電一光一電的兩次轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電信號的傳送。由于光耦合器輸入／輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。另外，光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。因此，它在長線信息傳輸中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。
    具體設(shè)計中，為減少光耦隔離帶來的CAN總線有效回路信號的傳輸延遲時間，選用安捷倫高速光耦隔離芯片ACSL-6210，該芯片傳輸延遲時間短，高電平典型延遲值僅為52 ns，低電平典型延遲值為44 ns，已接近TTL電路傳輸延遲時間的水平，完全滿足CAN總線1 Mbps的通信速率要求。根據(jù)隔離要求可以設(shè)計出如圖2所示的參考電路。

    圖2中，光耦芯片中有兩路供電，Vdd3．3V為線路板內(nèi)部電源，負責光耦與單片機CAN總線控制器通信部分供電。Vcc3．3V為隔離后的3．3 V電源，負責光耦與CAN總線收發(fā)器通信部分供電。光電隔離器件兩側(cè)所用電源Vdd3．3V與Vcc3．3V必須完全隔離，否則，光電隔離將失去應(yīng)有的作用。隔離電源Vcc3．3V可通過隔離電源芯片輸出5 V后，再降壓實現(xiàn)。電路中的三極管V1與電阻R2、R3、R6用來控制單片機數(shù)據(jù)端發(fā)送和隔離后CAN總線數(shù)據(jù)端發(fā)送之間的數(shù)據(jù)傳送：當MCU->CAN為低電平時，三極管V1導(dǎo)通，光耦中ANODE2控制左側(cè)發(fā)光管發(fā)光，將光耦芯片第6引腳VO2拉至低電平；當MCU->CAN為高電平時，三極管V1截止，光耦芯片第6引腳通過R6上拉至高電平，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)由MCU->CAN至光耦芯片第6腳的同步傳送。電路中的三極管V2和電阻R1、R4、R5用來實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)端接收到單片機數(shù)據(jù)端接收的傳送，控制原理同前所述。在該電路中，電阻R3和R4是控制光耦芯片中發(fā)光二極管工作電流的重要器件，將直接影響到傳輸成功率，發(fā)光二極管導(dǎo)通時工作在7～15 mA區(qū)域，推薦工作在10 mA左右。圖3為電源隔離電路，圖中供電電壓為3．3 V，電阻R3和R4參考首選350 Ω，發(fā)光二極管工作電流為9．4 mA(VDD1／R3=3．3 V／350 Ω=0．009 4 A)。
    電源隔離芯片選用廣州金升陽科技有限公司的IB_LT-1W系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品是專門針對線路板上分布式電源系統(tǒng)中需要產(chǎn)生一組隔離電源的應(yīng)用場合而設(shè)計的。該隔離芯片是1 W、定電壓輸入、隔離穩(wěn)定單電壓輸出、SMD封裝的DC-DC模塊電源。該產(chǎn)品適應(yīng)于下述情況：①輸入電源的電壓比較穩(wěn)定(電壓變化≤±5％)；②輸入／輸出之間要求隔離(隔離電壓≤1 000 V)；③對輸出電壓穩(wěn)定度和紋波噪聲要求高。

    選用隔離電源芯片的型號為IB0505LT—W75，輸入是由線路板內(nèi)部DC-DC電源產(chǎn)生的Vdd5V電壓，輸出穩(wěn)定的隔離Vcc5V，為CAN總線收發(fā)器提供電源。產(chǎn)生隔離Vcc5V的具體電路見圖3，圖中L1和L2為小磁珠，可進一步降低系統(tǒng)干擾。隔離Vcc5V產(chǎn)生后，可以通過LDO降壓為前述光耦芯片提供的隔離部分電源Vcc3．3V。

3 CAN總線收發(fā)器和外圍電路設(shè)計
    CAN總線收發(fā)器SN65HVDA541-Q1是一款抗干擾能力較強的芯片，該芯片內(nèi)置過壓保護，CANH、CANL引腳耐壓值范圍-27～40 V，抗瞬態(tài)脈沖電壓范圍為-200～200 V。
     為了保證總線的可靠傳輸，外圍電路設(shè)計需要考慮EMC及抗干擾問題。推薦參考電路如圖4所示，電路中外圍元器件參數(shù)選用參見表1。

    電路設(shè)計中，PCB應(yīng)預(yù)留空間和焊盤，用于焊接終端電阻R1、R2，以及電容C4和共模電感L，當電磁環(huán)境惡劣時，必須焊接共模電感L；收發(fā)器應(yīng)該盡可能地靠近PCB邊緣的接插件，收發(fā)器與接插件之間不允許有其他集成電路芯片；接插件和收發(fā)器之間的CAN_H／CAN_L電路應(yīng)該盡可能地緊湊；CAN_H／CAN_L和Tx、Rx電路應(yīng)有防護措施，保證線間距或布置地防護線；產(chǎn)品內(nèi)部CAN_H和CAN_L的布線總長度不超過10cm；在發(fā)送器芯片下和焊接面上，應(yīng)布置地平面；在布線時，將C2、C3、C4及ESD的地直接接到地平面，不要與C1的接地線共線以后再接入地平面；電路中所有的地應(yīng)與外部車身總線的地相連。

4 實驗測試
    本文中設(shè)計的電路已經(jīng)成功運用于集瑞重卡遠程監(jiān)控終端產(chǎn)品中，隨產(chǎn)品一起通過了CAN信號線傳導(dǎo)干擾測試，達到CISPR25—2002零部件傳導(dǎo)騷擾限值等級三標準。
    同時，還進行了如下的容錯性能測試：
    ①地電位偏移：在標稱工作電壓下，地電位偏移不超過士2 V時，產(chǎn)品能夠正常收發(fā)報文；
    ②產(chǎn)品掉電：掉電后不影響其他車身產(chǎn)品之間的正常通信，產(chǎn)品在供電恢復(fù)后trsm(trsm=300 ms)時間內(nèi)能恢復(fù)正常通信；
    ③CAN_H和CAN_L(或兩者之一)在某處斷開：對產(chǎn)品其他部分不造成任何損害，在斷開點同側(cè)的其他總線產(chǎn)品能夠通信；
    ④CAN_H和CAN_L(或兩者一)對地短路：產(chǎn)品通信會被中止，但是不對產(chǎn)品造成任何損害，在故障恢復(fù)以后，通信能夠在trsm(trsm=300 ms)時間內(nèi)恢復(fù)正常；
    ⑤CAN_H和CAN_L(或兩者之一)對電源短路：產(chǎn)品通信會被中止，但是不對產(chǎn)品造成任何損害，在故障恢復(fù)以后，通信能夠在trsm(trsm= 300 ms)時間內(nèi)恢復(fù)正常；
    ⑥CAN_H對CAN_L短路：通信會被中止，但是不對產(chǎn)品造成任何損害，在故障恢復(fù)以后，通信能夠在trsm(trsm=300 ms)時間內(nèi)恢復(fù)正常。

結(jié)語
    本文詳細介紹了一種適應(yīng)惡劣環(huán)境的CAN總線接口電路，對電源隔離部分、信號線光耦隔離部分、CAN總線收發(fā)器及外圍元器件選擇進行了深入的分析和說明。本接口電路已經(jīng)在集瑞重卡遠程監(jiān)控終端上成功使用，通過了第三方公司的測試。測試結(jié)果表明，該電路抗干擾能力強，工作穩(wěn)定性高，使用效果良好，可以推廣使用。