惡劣電磁環(huán)境中的CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

摘要：CAN總線已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)，并已成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信的主流技術(shù)之一。本文介紹了一種應(yīng)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，然后著重對隔離部分、CAN總線收發(fā)器部分及外圍電路元器件選擇進(jìn)行了詳細(xì)說明，最后，對設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)測試情況進(jìn)行了描述。
關(guān)鍵詞：CAN總線；隔離設(shè)計(jì)；光耦；干擾

引言
CAN總線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控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。CAN總線最初是為汽車應(yīng)用開發(fā)的，規(guī)定了一種2線串行通信協(xié)議，支持高達(dá)1 Mbps的數(shù)據(jù)速率、多達(dá)30個(gè)節(jié)點(diǎn)和40 m的最大電纜長度。目前CAN總線主要用于汽車自動化領(lǐng)域，在工業(yè)過程控制領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。
工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中存在著許多瞬變脈沖，這些瞬變脈沖會影響到數(shù)據(jù)的傳輸，甚至傷害互連的設(shè)備。為了能夠在高速現(xiàn)場總線通信時(shí)實(shí)現(xiàn)無錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須要對這些干擾進(jìn)行處理，通常會使用具有絕緣隔離功能的光電耦合器來維持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性，并保護(hù)互連設(shè)備。對于應(yīng)用于重型卡車、大型客車、油罐車等更為惡劣電磁環(huán)境中的車身總線產(chǎn)品，對CAN總線抗干擾能力有更嚴(yán)格的要求，通常需要CAN總線電源部分也實(shí)現(xiàn)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總線收發(fā)器和外圍器件設(shè)計(jì)參考電路。

1 CAN總線接口電路總體設(shè)計(jì)
CAN總線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總線通信的核心芯片是CAN總線控制器，CAN總線的通信協(xié)議主要是由它完成的，它可以實(shí)現(xiàn)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。CAN總線控制器有許多芯片結(jié)構(gòu)，獨(dú)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(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中根據(jù)智能化程度高、可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)、成本低等要求，采用ST公司的STM32F103系列單片機(jī)內(nèi)嵌CAN總線控制器方案。
CAN總線收發(fā)器芯片使用TI公司的汽車級收發(fā)器SN65HVDA541一Q1，芯片設(shè)計(jì)遵循CAN總線國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898—1／2，通信支持SAEJ1939 NMEA 2000標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)部分和外圍電路部分對電路穩(wěn)定性和抗干擾能力有較大的影響，本文將著重討論。CAN總線接口電路總體框圖如圖1所示。

2 電路隔離設(shè)計(jì)
電路隔離設(shè)計(jì)包含兩部分：一是CAN總線通信總線隔離設(shè)計(jì)；二是CAN總線收發(fā)器及外圍電路供電電源隔離設(shè)計(jì)。
CAN總線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(dǎo)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(qū)動發(fā)光二極管，使之發(fā)出一定波長的光，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(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)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(qiáng)的共模抑制能力。因此，它在長線信息傳輸中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。