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引言
CAN（Controller Area Network）[3]總線又稱控制局域網(wǎng)絡(luò)，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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)。CAN的主要優(yōu)點(diǎn)：1、為多主工作方式，可以很方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)，2、可以點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)及廣播方式收發(fā)數(shù)據(jù)，通信速率最高可達(dá)到1Mb/s（此時(shí)通信數(shù)據(jù)最長為40m），實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率5kB/s以下），3、CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)可分為不同的優(yōu)先級，以滿足不同的實(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沖沖突；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(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(yàn)及其他驗(yàn)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；7、總線節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)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(diǎn)的操作不受影響。
基于CAN總線的智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)有經(jīng)典的電路，本文介紹一種新的思路，可應(yīng)用在煤礦等場合。
1 系統(tǒng)概述
如圖1所示，本系統(tǒng)由單片機(jī)、隔離器、CAN控制器和外擴(kuò)的RAM組成，其中，單片機(jī)選擇Atmel公司推出的T89C51CC01[4]，它是一種功能強(qiáng)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(jī)兼容，靜態(tài)時(shí)鐘模式，其周期時(shí)間為300ns，內(nèi)有32KB閃存程序存儲器，可在系統(tǒng)編程（ISP），包括有2KB閃存引導(dǎo)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(luò)節(jié)點(diǎn)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。
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，接受端呈現(xiàn)顯性或隱性兩種狀態(tài)，同時(shí)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(fù)雜，各節(jié)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(dāng)共模電壓超過CAN驅(qū)動器的極限接收電壓時(shí)，CAN驅(qū)動器就無法正常工作了，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)䶮龤酒蛢x器設(shè)備，因此，為了適應(yīng)強(qiáng)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(diǎn)實(shí)行電氣隔離。
傳統(tǒng)的CAN總線隔離的方法是光耦合器技術(shù)，使用光束來隔離和保護(hù)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(yīng)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(shè)計(jì)中外擴(kuò)了128字節(jié)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上傳輸?shù)膸ㄟ^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(shí)讀取61C1024雙口RAM中的數(shù)據(jù)。
另外，這里用到的單片機(jī)AT89C51CC01也可用AT89C51CC03[5]來代替，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(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(shí)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iCoupler通道比光電耦合器有效地實(shí)現(xiàn)通道之間的集成，以及比較容易地實(shí)現(xiàn)其他半導(dǎo)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iCouple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(yuǎn)優(yōu)于光耦合器，iCoupler數(shù)字隔離器在125℃高溫環(huán)境下性能和可擴(kuò)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電耦合器更高的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)字隔離器能在同一芯片內(nèi)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(diǎn)：
1、速度更高--最高速率可以達(dá)到25Mbps；
2、功率更低--功耗低于同數(shù)據(jù)傳輸率時(shí)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(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(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(jià)格更便宜-每通道成本為傳統(tǒng)光電隔離器的40％；
6、應(yīng)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(shí)現(xiàn)低電壓供電，從而進(jìn)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，以濾除高頻干擾，電容和電源之間的距離應(yīng)在20mm以內(nèi)，這樣可以達(dá)到更好的濾波效果，由于兩個隔離通道高度匹配，通道間串?dāng)_很小，并且采用兩通道輸入/輸出反向設(shè)計(jì)，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(dá)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，如果有一個沒有上電就能導(dǎo)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。
隔離芯片ADuM1201處于系統(tǒng)的中間，用來隔離各傳感器節(jié)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)了CAN總線節(jié)點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)的設(shè)計(jì)利用傳統(tǒng)的經(jīng)典電路，并且用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)，增強(qiáng)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(diǎn)的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。
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