采用ADuM1201的CAN總線隔離方法

采用ADuM1201的CAN總線隔離方法

can（controller area network）[3]總線又稱控制局域網(wǎng)絡，最早由德國bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。can已被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。其總線規(guī)范已被iso國際標準組織制訂為國際標準。can的主要優(yōu)點：1、為多主工作方式，可以很方便地構(gòu)成多機備份系統(tǒng)；2、可以點對點、點對多點及廣播方式收發(fā)數(shù)據(jù)，通信速率最高可達1mb/s（此時通信距離最長為40m），實際節(jié)點數(shù)可達100個，直接通信距離最遠可達10km（速率在5kb/s以下）；3、can網(wǎng)絡上的節(jié)點可分為不同的優(yōu)先級，以滿足不同的實時要求；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（短幀傳輸時間短、受干擾概率小、重發(fā)時間短，每幀信息都有crc校驗及其他檢錯措施，可保證數(shù)據(jù)的低出錯率；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)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。

基于can總線的智能節(jié)點的設計有經(jīng)典的電路，本文介紹一種新的思路，可應用煤礦等場合。

1 系統(tǒng)概述

如圖1所示，本系統(tǒng)由單片機、隔離器、can控制器和外擴的ram組成，其中，單片機選擇atmel公司推出的t89c51cc01[4]，它是一種功能強大的8位微控制器，自帶can控制器和32kb flash存儲器的8位微處理器，與8051系列單片機兼容，靜態(tài)時鐘模式；其周期時間為300ns，內(nèi)有32kb閃速程序存儲器，可在系統(tǒng)編程（isp），包括有2kb閃速引導存儲器，2kb eeprom和1.2kb ram；可控制15個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)絡節(jié)點提供硬件支持，并且內(nèi)部還有a/d轉(zhuǎn)換和pwm發(fā)生器等其他功能。?
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at89c51cc01輸出的信號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，可以提供對總線的差動發(fā)送和接收功能，針對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，使用pca82c250可以增長通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力。

由于現(xiàn)場情況十分復雜，各節(jié)點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，但當共模電壓超過can驅(qū)動器的極限接收電壓時，can驅(qū)動器就無法正常工作了，嚴重時甚至會燒毀芯片和儀器設備，因此，為了適應強干擾環(huán)境或是高的性能要求，必須對can總線各通信節(jié)點實行電氣隔離。

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檢測電路，以及在高壓和低壓電氣環(huán)境之間提供一個安全接口。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，每個芯片僅提供一個隔離通道，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可用來存儲程序，但是為了保證數(shù)據(jù)存儲具有足夠大的空間，設計中外擴了128字節(jié)的ram，即61c1024，具體電路連接如圖2所示。

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pca82c250將接收到的所有總線上傳輸?shù)膸?，通過電流和電壓隔離，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pci總線定時讀取61c1024雙口ram中的數(shù)據(jù)。

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

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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)換過程，并且采用了icoupler變壓器專利技術(shù)集成變壓器驅(qū)動和接收電路，從而實現(xiàn)了光電隔離器無法比擬的性能優(yōu)勢，由于使用晶片級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現(xiàn)通道之間的集成，以及比較容易地實現(xiàn)其他半導體功能。

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)字隔離器無需驅(qū)動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的傳輸方向更加靈活，簡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：

1、速度更高--最高速率可以達到25mbps；
2、功耗更低--功耗低于同數(shù)據(jù)傳輸率時傳統(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、價格更便宜--每通道成本為傳統(tǒng)光電隔離器的40％；
6、應用更靈活--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，這樣可以實現(xiàn)低電壓供電，從而進一步降低系統(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在20mm以內(nèi)，這樣可以達到更好的濾波效果。由于兩個隔離通道高度匹配，通道間串擾很小，并且采用兩通道輸入/輸出反向設計，非常適合can總線雙向收發(fā)的特性，大大簡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是兩個不同的參考地，否則將達不到隔離的效果；adum1201正常工作時，兩端的供電源需要同時上電才能保證adum1201兩通道都能正常工作，如果有一個沒有上電就能導致整個芯片無法正常工作，相關(guān)電路連接如圖3所示，其中兩個in4148為防雷擊管，用來防止總線上的瞬變干擾。

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隔離芯片adum1201處于系統(tǒng)的中間，用來隔離各傳感器節(jié)點，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)以及溫度和壽命對器件的影響，無需其他驅(qū)動和分立元件，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以單一芯片實現(xiàn)了can總線節(jié)點之間的電氣隔離，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總線信號的傳輸，大大簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，同時，由1個隔離芯片代替以往的2個，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

本節(jié)點的設計利用傳統(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)點的應用設計提供了一定的參考價值。