CAN總線(xiàn)遠程傳輸可靠性的設計方法和實(shí)現

O 引言
現場(chǎng)總線(xiàn)能同時(shí)滿(mǎn)足過(guò)程控制和制造業(yè)自動(dòng)化的需求，成為工業(yè)數據總線(xiàn)領(lǐng)域最為活躍的技術(shù)之一。CAN(Controller Area Network，即控制器局域網(wǎng))現場(chǎng)總線(xiàn)以其多主方式，報文自動(dòng)過(guò)濾重發(fā)、極低的誤碼率和高通訊速率等特點(diǎn)，在各種低成本、高抗干擾的多機遠程監控系統中得到廣泛應用。
CAN總線(xiàn)屬于總線(xiàn)式帶同步位的串行通信網(wǎng)絡(luò )，由于采用了許多新技術(shù)以及獨特的設計，與一般的通信總線(xiàn)相比，CAN總線(xiàn)在遠距離數據通信上具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN的直接通信距離最遠可達lOkm(通信速率5Kbps以下)，通信速率最高可達lMbps(通信距離最長(cháng)40m)。但在實(shí)際的遠程傳輸過(guò)程中，通信數據受許多因素的影響，致使傳輸的波形失真，達不到預期的效果。本文針對CAN總線(xiàn)遠程傳輸的可靠性進(jìn)行了設計與分析。

1 遠程CAN總線(xiàn)傳輸可靠性的主要影響因素
(1)工作環(huán)境電磁干擾的影響。
(2)傳輸介質(zhì)分布電容和電阻的影響。
(3)遠近端阻抗不匹配的影響。
(4)接收同步位端的相位變化和幅值變化的影響。
(5)傳送波特率位時(shí)鐘設計的影響。
(6)沒(méi)有發(fā)送和接收幀的節點(diǎn)之問(wèn)高阻狀態(tài)性的漏電對CAN總線(xiàn)的影響。
(7)對總線(xiàn)短路和斷路監測處理的影響。

2 遠程CAN總線(xiàn)傳輸可靠性的設計方法
系統運行在復雜的電磁空問(wèn)里，有外界的各種電磁場(chǎng)變化，也有系統內部各個(gè)元器件之間的電磁干擾。尤其工作現場(chǎng)的電磁場(chǎng)環(huán)境是最容易干擾系統的可靠性。因此系統數據傳輸過(guò)程采用屏蔽雙絞線(xiàn)，它綜合了屏蔽線(xiàn)和雙絞線(xiàn)兩者的優(yōu)點(diǎn)，是較理想的信號傳輸線(xiàn)，即可以抑制靜電干擾，也可以抑制電磁感應干擾，從而提高系統的可靠性。
元器件是構成系統的基礎，選擇集成化程度高，抗干擾能力強，功耗又小的電子元器件尤為重要。選擇合適的MCU是CAN總線(xiàn)控制系統設計成功的關(guān)鍵。在綜合比較了當前業(yè)界流行的幾款MCU最終選擇了Silicon Laboratories公司的C8051F040這款8位單片機作為CAN總線(xiàn)控制系統的控制核心。
C8051F040(以下簡(jiǎn)稱(chēng)F040)單片機是完全集成的混合信號系統級芯片，具有與MCS一5l完全兼容的指令內核。由于采用了流水線(xiàn)處理技術(shù)，大大提高了指令執行效率。F040還采用了Flash ROM技術(shù)，集成了JTAG，實(shí)現了真正的在線(xiàn)編程和片上調試。它比SJAl000等片外CAN總線(xiàn)控制器具有更好的可靠性和集成度高的特點(diǎn)。F040的CAN控制器完全硬件化，解決了CPU與CAN,總線(xiàn)控制器之間的競爭矛盾。
在主機CAN節點(diǎn)中，如圖1所示，選擇Silicon Laboratories公司的USB轉UART橋接芯片CP2101，內部自帶512B收發(fā)緩沖器，進(jìn)一步從芯片本身上解決了數據沖突的問(wèn)題。它還有300bps至921．6Kbps的波特率變化范圍，滿(mǎn)足高速通訊要求，外圍電路十分簡(jiǎn)單；另外，CP2101還集成了5V轉3V電壓調節器，可以由USB總線(xiàn)來(lái)對整個(gè)主機節點(diǎn)供電，這樣整個(gè)電路就只需一根USB連線(xiàn)即可實(shí)現與PC機通訊，無(wú)需額外電源，即插即用，十分方便。
圖1主機CAN節點(diǎn)的硬件連接圖(參見(jiàn)下頁(yè))

ADuMl20l是ADI公司生產(chǎn)的隔離器，采用平面磁場(chǎng)專(zhuān)利隔離技術(shù)，取消了光電耦合器中的光電轉換過(guò)程。因此ADuMl201具有優(yōu)于光電隔離器的優(yōu)點(diǎn)：速度更高(最高速率達到25 Mbps)、功耗更低(最小工作電流為0．8mA)、性能更高、體積更小、價(jià)格更便宜、應用更靈活(多通道數字隔離器能在同一芯片內提供發(fā)送和接收通道)。選擇ADuMl201用來(lái)實(shí)現CAN控制器和CAN驅動(dòng)器之問(wèn)的電氣隔離，增強系統的穩定性，提高了系統的抗干擾能力。
為了進(jìn)一步提高系統的遠程通訊可靠性，選擇TI公司生產(chǎn)的芯片SN65HVD251作為CAN總線(xiàn)收發(fā)器。SN65HVD251能以高達1Mbps的速度提供到總線(xiàn)的差動(dòng)傳輸功能，以及到CAN控制器的差動(dòng)接收功能。具有差分收發(fā)能力、高抗電磁干擾、超小封裝、低功耗性能。與F040配合使用，可使外圍電路更加簡(jiǎn)潔，如圖2所示。