惡劣電磁環(huán)境中的CAN總線(xiàn)接口電路設計

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

引言
CAN總線(xiàn)是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信同絡(luò )，以其裔性能和高可靠性在自動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用。CAN總線(xiàn)最初是為汽車(chē)應用開(kāi)發(fā)的，規定了一種2線(xiàn)串行通信協(xié)議，支持高達1 Mbps的數據速率、多達30個(gè)節點(diǎn)和40 m的最大電纜長(cháng)度。目前CAN總線(xiàn)主要用于汽車(chē)自動(dòng)化領(lǐng)域，在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域也得到了廣泛的應用。
工業(yè)應用環(huán)境中存在著(zhù)許多瞬變脈沖，這些瞬變脈沖會(huì )影響到數據的傳輸，甚至傷害互連的設備。為了能夠在高速現場(chǎng)總線(xiàn)通信時(shí)實(shí)現無(wú)錯誤的數據傳輸，工業(yè)系統設計工程師必須要對這些干擾進(jìn)行處理，通常會(huì )使用具有絕緣隔離功能的光電耦合器來(lái)維持數據的完整性，并保護互連設備。對于應用于重型卡車(chē)、大型客車(chē)、油罐車(chē)等更為惡劣電磁環(huán)境中的車(chē)身總線(xiàn)產(chǎn)品，對CAN總線(xiàn)抗干擾能力有更嚴格的要求，通常需要CAN總線(xiàn)電源部分也實(shí)現物理隔離。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(xiàn)收發(fā)器和外圍器件設計參考電路。

1 CAN總線(xiàn)接口電路總體設計
CAN總線(xiàn)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(xiàn)通信的核心芯片是CAN總線(xiàn)控制器，CAN總線(xiàn)的通信協(xié)議主要是由它完成的，它可以實(shí)現物理層和數據鏈路層的所有功能。CAN總線(xiàn)控制器有許多芯片結構，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構。本設計中根據智能化程度高、可靠性高，抗干擾能力強、成本低等要求，采用ST公司的STM32F103系列單片機內嵌CAN總線(xiàn)控制器方案。
CAN總線(xiàn)收發(fā)器芯片使用TI公司的汽車(chē)級收發(fā)器SN65HVDA541一Q1，芯片設計遵循CAN總線(xiàn)國際標準ISO 11898—1／2，通信支持SAEJ1939 NMEA 2000標準的CAN總線(xiàn)數據接口，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℃。

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

2 電路隔離設計
電路隔離設計包含兩部分：一是CAN總線(xiàn)通信總線(xiàn)隔離設計；二是CAN總線(xiàn)收發(fā)器及外圍電路供電電源隔離設計。
CAN總線(xiàn)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。輸入的電信號驅動(dòng)發(fā)光二極管，使之發(fā)出一定波長(cháng)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換，實(shí)現電信號的傳送。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(diǎn)，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(cháng)線(xiàn)信息傳輸中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。