采用ADuM1201的CAN總線(xiàn)隔離方法

引言

can（controller area network）[3]總線(xiàn)又稱(chēng)控制局域網(wǎng)絡(luò )，最早由德國bosch公司推出，用于汽車(chē)內部測量與執行部件之間的數據通信，can已被公認為幾種最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。其總線(xiàn)規范已被iso國際標準組織制訂為國際標準。can的主要優(yōu)點(diǎn)：1、為多主工作方式，可以很方便地構成多機備份系統，2、可以點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)及廣播方式收發(fā)數據，通信速率最高可達到1mb/s（此時(shí)通信數據最長(cháng)為40m），實(shí)際節點(diǎn)數可達110個(gè)，直接通信距離最遠可達10km（速率5kb/s以下），3、can網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)可分為不同的優(yōu)先級，以滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求，4、采用非破壞性仲裁技術(shù)，能夠有效地避免總線(xiàn)沖沖突；5、用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個(gè)（短幀傳輸時(shí)間短、受干擾概率小、重發(fā)時(shí)間短，每幀信息都有crc校驗及其他驗錯措施，可保證數據的低出錯率；6、通信介質(zhì)可為雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖，選擇靈活；7、總線(xiàn)節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線(xiàn)上其他節點(diǎn)的操作不受影響。

基于can總線(xiàn)的智能節點(diǎn)的設計有經(jīng)典的電路，本文介紹一種新的思路，可應用在煤礦等場(chǎng)合。

1 系統概述

如圖1所示，本系統由單片機、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32 kb flash存儲器和8位微處理器，與8051系列單片機兼容，靜態(tài)時(shí)鐘模式，其周期時(shí)間為300ns，內有32kb閃存程序存儲器，可在系統編程（isp），包括有2kb閃存引導存儲器，2kb eeprom和1.2kb ram，可控制15個(gè)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(luò )節點(diǎn)提供硬件支持，并且內部還有a/d轉換和pwm發(fā)生器等其他功能。

at89c51cc01輸出的信號不能與物理總線(xiàn)直接相連，必須使用can總線(xiàn)收發(fā)器，因此外接了基于can總線(xiàn)協(xié)議的總線(xiàn)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(xiàn)之間的物理接口，可以提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能，針對canl和canh的兩種輸出狀態(tài)，總線(xiàn)具有兩種不同的電平，這兩種電平可以差分輸入，接受端呈現顯性或隱性?xún)煞N狀態(tài)，同時(shí)使用pca82c250可以增長(cháng)通信距離，提高系統的瞬間抗干擾能力。

由于現場(chǎng)情況十分復雜，各節點(diǎn)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(guò)can驅動(dòng)器的極限接收電壓時(shí)，can驅動(dòng)器就無(wú)法正常工作了，嚴重時(shí)甚至會(huì )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(xiàn)各通信節點(diǎn)實(shí)行電氣隔離。

傳統的can總線(xiàn)隔離的方法是光耦合器技術(shù)，使用光束來(lái)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(gè)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(gè)芯片僅提供一個(gè)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，本系統采用了adi公司推出的新型雙通道數字隔離器adum1201。adum1201有諸多優(yōu)于光電隔離器件性能的地方，可滿(mǎn)足can總線(xiàn)的要求。

雖然at89c51cc01內部有1kb的eram可用來(lái)存儲程序，但是為了保證數據存儲具有足夠大的空間，設計中外擴了128字節的ram，即61c1024，具體電路連接如圖2所示。

pca82c250將接收到的所有總線(xiàn)上傳輸的幀，通過(guò)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(gè)接收中斷，在接收中斷的處理中，at89c51cc01讀取can模塊接收緩沖區中的數據，將其傳送到61c1024的雙口ram中。最后，pc通過(guò)pci總線(xiàn)定時(shí)讀取61c1024雙口ram中的數據。

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

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換過(guò)程，并且采用了icoupler變壓器專(zhuān)利技術(shù)集成變壓器驅動(dòng)和接收電路，從而實(shí)現了光電隔離器無(wú)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icoupler通道比光電耦合器有效地實(shí)現通道之間的集成，以及比較容易地實(shí)現其他半導體功能。

由于沒(méi)有光電耦合器中影響效率的光電轉換環(huán)節，所以icouple數字隔離器無(wú)需驅動(dòng)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數字隔離器在125℃高溫環(huán)境下性能和可擴性并不下降，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數字隔離器的隔離通道具有比光電耦合器更高的數據傳輸速率，時(shí)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，并且數據傳輸速率和時(shí)序精度是其10倍，此外，與光電耦合器不同的是，多通道icoupler數字隔離器能在同一芯片內提供正向和反向通信通道，這樣就可以使得信號的傳輸方向更加靈活，簡(jiǎn)化了芯片間的硬件連接線(xiàn)路。

adum1201具有諸多優(yōu)于光電隔離器的優(yōu)點(diǎn)：

1、速度更高--最高速率可以達到25mbps；

2、功率更低--功耗低于同數據傳輸率時(shí)傳統光電隔離器的1/10，最小工作電流為0.8ma；

3、性能更高--時(shí)序精度，瞬態(tài)共模抑制力，通道間匹配程度均優(yōu)于傳統光電隔離器；

4、體積更小--集成度更高，印制電路板（pcb）面積為傳統光電隔離器的40％；

5、價(jià)格更便宜-每通道成本為傳統光電隔離器的40％；

6、應用更靈活--與傳統光電耦合器不同的是，多通道icoupler數字隔離器能在同一芯片內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(shí)現低電壓供電，從而進(jìn)一步降低系統功耗，系統中使用的電源是5v，電源和參考地之間接入0.01－0.1μf電容，以濾除高頻干擾，電容和電源之間的距離應在20mm以?xún)?，這樣可以達到更好的濾波效果，由于兩個(gè)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(xiàn)雙向收發(fā)的特性，大大簡(jiǎn)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(gè)不同的參考地，否則將達不到隔離的效果，adum1201正常工作時(shí)，兩端的供電源需要同時(shí)上電才能保證adum1201兩通道都能正常工作，如果有一個(gè)沒(méi)有上電就能導致整個(gè)芯片無(wú)法正常工作，相關(guān)電路連接如圖3所示，其中兩個(gè)in4148為防雷擊管，用來(lái)防止總線(xiàn)上的瞬變干擾。

隔離芯片adum1201處于系統的中間，用來(lái)隔離各傳感器節點(diǎn)，比傳統的光電隔離器件具有更好的性能，adum1201消除了傳統光電隔離器不確定的傳輸速率，非線(xiàn)性的傳輸函數以及溫度和壽命對器件的影響，無(wú)需其他驅動(dòng)和分立元件，提供了更加穩定的轉化性能，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(shí)現了can總線(xiàn)節點(diǎn)之間的電氣隔離，并采用雙轉化通道，兩通道方向相反的特殊結構，非常適合于can總線(xiàn)信號的傳輸，大大簡(jiǎn)化了系統的硬件結構，同時(shí)，由1個(gè)隔離芯片代替以往的2個(gè)，大大增加了通道間的匹配程度，使系統獲得更好的隔離性能。

結語(yǔ)

本節點(diǎn)的設計利用傳統的經(jīng)典電路，并且用adum1201代替傳統的光電隔離器件，降低了系統功耗，簡(jiǎn)化了系統結構，增強了系統穩定性，提高了系統的性能，成板之后調試效果良好，并且為基于can總線(xiàn)的智能節點(diǎn)的應用設計提供了一定的參考價(jià)值。