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采用ADuM1201的CAN总线隔离方法

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作者:中国矿业大学 李英 徐钊 时间:2007-01-26来源:《单片机与嵌入式系统应用》

引言

can(controller area network)[3]总线又称控制局域网络,最早由德国bosch公司推出,用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信,can已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其总线规范已被iso国际标准组织制订为国际标准。can的主要优点:1、为多主工作方式,可以很方便地构成多机备份系统,2、可以点对点、点对多点及广播方式收发数据,通信速率最高可达到1mb/s(此时通信数据最长为40m),实际节点数可达110个,直接通信距离最远可达10km(速率5kb/s以下),3、can网络上的节点可分为不同的优先级,以满足不同的实时要求,4、采用非破坏性仲裁技术,能够有效地避免总线冲冲突;5、用短帧结构,每一帧的有效字节数为8个(短帧传输时间短、受干扰概率小、重发时间短,每帧信息都有crc校验及其他验错措施,可保证数据的低出错率;6、通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活;7、总线节点在错误严重的情况下,具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响。

基于can总线的智能节点的设计有经典的电路,本文介绍一种新的思路,可应用在煤矿等场合。

1 系统概述

如图1所示,本系统由单片机、隔离器、can控制器和外扩的ram组成,其中,单片机选择atmel公司推出的t89c51cc01[4],它是一种功能强大的8位微控制器,自带can控制器和32 kb flash存储器和8位微处理器,与8051系列单片机兼容,静态时钟模式,其周期时间为300ns,内有32kb闪存程序存储器,可在系统编程(isp),包括有2kb闪存引导存储器,2kb eeprom和1.2kb ram,可控制15个can通道,这些通道可编程用于接收、发送或接收缓冲器,可为网络节点提供硬件支持,并且内部还有a/d转换和pwm发生器等其他功能。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/21158.htm

at89c51cc01输出的信号不能与物理总线直接相连,必须使用can总线收发器,因此外接了基于can总线协议的总线收发器pca82c250,选择了经典的控制电路,pca82c250是can控制器与总线之间的物理接口,可以提供对总线的差动发送和接收功能,针对canl和canh的两种输出状态,总线具有两种不同的电平,这两种电平可以差分输入,接受端呈现显性或隐性两种状态,同时使用pca82c250可以增长通信距离,提高系统的瞬间抗干扰能力。

由于现场情况十分复杂,各节点之间存在很高的共模电压,虽然can接口采用的是差分传输方式,具有一定的抗共模干扰的能力,但当共模电压超过can驱动器的极限接收电压时,can驱动器就无法正常工作了,严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备,因此,为了适应强干扰环境或是高的性能要求,必须对can总线各通信节点实行电气隔离。

传统的can总线隔离的方法是光耦合器技术,使用光束来隔离和保护检测电路,以及在高压和低压电气环境之间提供一个安全接口,目前一般使用6n137光电隔离器件。以toshiba公司的6n137为例,其工作电压为5v,最高速率10mbps,工作温度一般为0-70℃,隔离电压为2500v(有效值)。并且以dip8型封装,每个芯片仅提供一个隔离通道,这些性能已经限制了6n137在更高要求的环境中应用,因此,本系统采用了adi公司推出的新型双通道数字隔离器adum1201。adum1201有诸多优于光电隔离器件性能的地方,可满足can总线的要求。

虽然at89c51cc01内部有1kb的eram可用来存储程序,但是为了保证数据存储具有足够大的空间,设计中外扩了128字节的ram,即61c1024,具体电路连接如图2所示。

pca82c250将接收到的所有总线上传输的帧,通过电流和电压隔离,传送到t89c51cc01的can模块。can模块比较接收码寄存器和帧的id码,相等的则接收,并引发一个接收中断,在接收中断的处理中,at89c51cc01读取can模块接收缓冲区中的数据,将其传送到61c1024的双口ram中。最后,pc通过pci总线定时读取61c1024双口ram中的数据。

另外,这里用到的单片机at89c51cc01也可用at89c51cc03[5]来代替,两者的比较如表1所列。


2 adum1201

adum1201是adi公司推出的新产品,它采用的icoupler技术是基于芯片尺寸的变压器,而不是基于光电耦合器所采用的led与光电二极管的组合,这种技术由于取消了光电耦合器中的光电转换过程,并且采用了icoupler变压器专利技术集成变压器驱动和接收电路,从而实现了光电隔离器无法比拟的性能优势。由于使用晶片级制造工艺直接在芯片上制造icouple变压器,所以icoupler通道比光电耦合器有效地实现通道之间的集成,以及比较容易地实现其他半导体功能。

由于没有光电耦合器中影响效率的光电转换环节,所以icouple数字隔离器无需驱动led的外部电路,功耗仅为光电耦合器的1/10-1/50,这种新的基于电磁的隔离方法,在抗高温影响方面远优于光耦合器,icoupler数字隔离器在125℃高温环境下性能和可扩性并不下降,因此可以采用低成本、小体积的soic封装,这样不但降低了成本还减小了芯片的体积,另外,icoupler数字隔离器的隔离通道具有比光电耦合器更高的数据传输速率,时序精度和瞬态共模抑制能力。其额定隔离电压是高隔离度光电耦合器的2倍,并且数据传输速率和时序精度是其10倍,此外,与光电耦合器不同的是,多通道icoupler数字隔离器能在同一芯片内提供正向和反向通信通道,这样就可以使得信号的传输方向更加灵活,简化了芯片间的硬件连接线路。

adum1201具有诸多优于光电隔离器的优点:

1、速度更高--最高速率可以达到25mbps;

2、功率更低--功耗低于同数据传输率时传统光电隔离器的1/10,最小工作电流为0.8ma;

3、性能更高--时序精度,瞬态共模抑制力,通道间匹配程度均优于传统光电隔离器;

4、体积更小--集成度更高,印制电路板(pcb)面积为传统光电隔离器的40%;

5、价格更便宜-每通道成本为传统光电隔离器的40%;

6、应用更灵活--与传统光电耦合器不同的是,多通道icoupler数字隔离器能在同一芯片内提供正向和反向通信通道。

adum1201所隔离的两端有各自的电源和参考地,电源电压为2.7-5.5v,这样可以实现低电压供电,从而进一步降低系统功耗,系统中使用的电源是5v,电源和参考地之间接入0.01-0.1μf电容,以滤除高频干扰,电容和电源之间的距离应在20mm以内,这样可以达到更好的滤波效果,由于两个隔离通道高度匹配,通道间串扰很小,并且采用两通道输入/输出反向设计,非常适合can总线双向收发的特性,大大简化可隔离器与所隔离两端的硬件连接。需要注意的是:gnd1与gnd2是两个不同的参考地,否则将达不到隔离的效果,adum1201正常工作时,两端的供电源需要同时上电才能保证adum1201两通道都能正常工作,如果有一个没有上电就能导致整个芯片无法正常工作,相关电路连接如图3所示,其中两个in4148为防雷击管,用来防止总线上的瞬变干扰。


隔离芯片adum1201处于系统的中间,用来隔离各传感器节点,比传统的光电隔离器件具有更好的性能,adum1201消除了传统光电隔离器不确定的传输速率,非线性的传输函数以及温度和寿命对器件的影响,无需其他驱动和分立元件,提供了更加稳定的转化性能,而且在相同的信号传输速率下功耗只有光电隔离器的1/10-1/6。另外,adum1201以单一芯片实现了can总线节点之间的电气隔离,并采用双转化通道,两通道方向相反的特殊结构,非常适合于can总线信号的传输,大大简化了系统的硬件结构,同时,由1个隔离芯片代替以往的2个,大大增加了通道间的匹配程度,使系统获得更好的隔离性能。

结语

本节点的设计利用传统的经典电路,并且用adum1201代替传统的光电隔离器件,降低了系统功耗,简化了系统结构,增强了系统稳定性,提高了系统的性能,成板之后调试效果良好,并且为基于can总线的智能节点的应用设计提供了一定的参考价值。

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