原创 采用ADuM1201的CAN总线隔离方法

采用ADuM1201的CAN总线隔离方法

 中国矿业大学 李英 徐钊

引言
CAN（Controller Area Network）总线又称控制局域网络，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，CAN已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准。CAN的主要优点：1、为多主工作方式，可以很方便地构成多机备份系统，2、可以点对点、点对多点及广播方式收发数据，通信速率最高可达到1Mb/s（此时通信数据最长为40m），实际节点数可达110个，直接通信距离最远可达10km（速率5kB/s以下），3、CAN网络上的节点可分为不同的优先级，以满足不同的实时要求，4、采用非破坏性仲裁技术，能够有效地避免总线冲冲突；5、用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个（短帧传输时间短、受干扰概率小、重发时间短，每帧信息都有CRC校验及其他验错措施，可保证数据的低出错率；6、通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活；7、总线节点在错误严重的情况下，具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。 
    基于CAN总线的智能节点的设计有经典的电路，本文介绍一种新的思路，可应用在煤矿等场合。 

1、系统概述 

如图1所示，本系统由单片机、隔离器、CAN控制器和外扩的RAM组成，其中，单片机选择Atmel公司推出的T89C51CC01，它是一种功能强大的8位微控制器，自带CAN控制器和32 KB Flash存储器和8位微处理器，与8051系列单片机兼容，静态时钟模式，其周期时间为300ns，内有32KB闪存程序存储器，可在系统编程（ISP），包括有2KB闪存引导存储器，2KB EEPROM和1.2KB RAM，可控制15个CAN通道，这些通道可编程用于接收、发送或接收缓冲器，可为网络节点提供硬件支持，并且内部还有A/D转换和PWM发生器等其他功能。 

AT89C51CC01输出的信号不能与物理总线直接相连，必须使用CAN总线收发器，因此外接了基于CAN总线协议的总线收发器PCA82C250，选择了经典的控制电路，PCA82C250是CAN控制器与总线之间的物理接口，可以提供对总线的差动发送和接收功能，针对CANL和CANH的两种输出状态，总线具有两种不同的电平，这两种电平可以差分输入，接受端呈现显性或隐性两种状态，同时使用PCA82C250可以增长通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力。 

    由于现场情况十分复杂，各节点之间存在很高的共模电压，虽然CAN接口采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但当共模电压超过CAN驱动器的极限接收电压时，CAN驱动器就无法正常工作了，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备，因此，为了适应强干扰环境或是高的性能要求，必须对CAN总线各通信节点实行电气隔离。 

    传统的CAN总线隔离的方法是光耦合器技术，使用光束来隔离和保护检测电路，以及在高压和低压电气环境之间提供一个安全接口，目前一般使用6N137光电隔离器件。以Toshiba公司的6N137为例，其工作电压为5V，最高速率10Mbps，工作温度一般为0－70℃，隔离电压为2500V（有效值）。并且以DIP8型封装，每个芯片仅提供一个隔离通道，这些性能已经限制了6N137在更高要求的环境中应用，因此，本系统采用了ADI公司推出的新型双通道数字隔离器ADuM1201。ADuM1201有诸多优于光电隔离器件性能的地方，可满足CAN总线的要求。 

    虽然AT89C51CC01内部有1KB的ERAM可用来存储程序，但是为了保证数据存储具有足够大的空间，设计中外扩了128字节的RAM，即61C1024，具体电路连接如图2所示。 

PCA82C250将接收到的所有总线上传输的帧，通过电流和电压隔离，传送到T89C51CC01的CAN模块。CAN模块比较接收码寄存器和帧的ID码，相等的则接收，并引发一个接收中断，在接收中断的处理中，AT89C51CC01读取CAN模块接收缓冲区中的数据，将其传送到61C1024的双口RAM中。最后，PC通过PCI总线定时读取61C1024双口RAM中的数据。 

    另外，这里用到的单片机AT89C51CC01也可用AT89C51CC03[5]来代替，两者的比较如表1所列。

2、ADuM1201 

    ADuM1201是ADI公司推出的新产品，它采用的iCoupler技术是基于芯片尺寸的变压器，而不是基于光电耦合器所采用的LED与光电二极管的组合，这种技术由于取消了光电耦合器中的光电转换过程，并且采用了iCoupler变压器专利技术集成变压器驱动和接收电路，从而实现了光电隔离器无法比拟的性能优势。由于使用晶片级制造工艺直接在芯片上制造iCouple变压器，所以iCoupler通道比光电耦合器有效地实现通道之间的集成，以及比较容易地实现其他半导体功能。 

    由于没有光电耦合器中影响效率的光电转换环节，所以iCouple数字隔离器无需驱动LED的外部电路，功耗仅为光电耦合器的1/10－1/50，这种新的基于电磁的隔离方法，在抗高温影响方面远优于光耦合器，iCoupler数字隔离器在125℃高温环境下性能和可扩性并不下降，因此可以采用低成本、小体积的SOIC封装，这样不但降低了成本还减小了芯片的体积，另外，iCoupler数字隔离器的隔离通道具有比光电耦合器更高的数据传输速率，时序精度和瞬态共模抑制能力。其额定隔离电压是高隔离度光电耦合器的2倍，并且数据传输速率和时序精度是其10倍，此外，与光电耦合器不同的是，多通道iCoupler数字隔离器能在同一芯片内提供正向和反向通信通道，这样就可以使得信号的传输方向更加灵活，简化了芯片间的硬件连接线路。 

ADuM1201具有诸多优于光电隔离器的优点： 

1、速度更高--最高速率可以达到25Mbps；

2、功率更低--功耗低于同数据传输率时传统光电隔离器的1/10，最小工作电流为0.8mA； 

3、性能更高--时序精度，瞬态共模抑制力，通道间匹配程度均优于传统光电隔离器； 

4、体积更小--集成度更高，印制电路板（PCB）面积为传统光电隔离器的40％；

5、价格更便宜-每通道成本为传统光电隔离器的40％；

6、应用更灵活--与传统光电耦合器不同的是，多通道iCoupler数字隔离器能在同一芯片内提供正向和反向通信通道。 

    ADuM1201所隔离的两端有各自的电源和参考地，电源电压为2.7－5.5V，这样可以实现低电压供电，从而进一步降低系统功耗，系统中使用的电源是5V，电源和参考地之间接入0.01－0.1μF电容，以滤除高频干扰，电容和电源之间的距离应在20mm以内，这样可以达到更好的滤波效果，由于两个隔离通道高度匹配，通道间串扰很小，并且采用两通道输入/输出反向设计，非常适合CAN总线双向收发的特性，大大简化可隔离器与所隔离两端的硬件连接。需要注意的是：GND1与GND2是两个不同的参考地，否则将达不到隔离的效果，ADuM1201正常工作时，两端的供电源需要同时上电才能保证ADuM1201两通道都能正常工作，如果有一个没有上电就能导致整个芯片无法正常工作，相关电路连接如图3所示，其中两个IN4148为防雷击管，用来防止总线上的瞬变干扰。

隔离芯片ADuM1201处于系统的中间，用来隔离各传感器节点，比传统的光电隔离器件具有更好的性能，ADuM1201消除了传统光电隔离器不确定的传输速率，非线性的传输函数以及温度和寿命对器件的影响，无需其他驱动和分立元件，提供了更加稳定的转化性能，而且在相同的信号传输速率下功耗只有光电隔离器的1/10－1/6。另外，ADuM1201以单一芯片实现了CAN总线节点之间的电气隔离，并采用双转化通道，两通道方向相反的特殊结构，非常适合于CAN总线信号的传输，大大简化了系统的硬件结构，同时，由1个隔离芯片代替以往的2个，大大增加了通道间的匹配程度，使系统获得更好的隔离性能。

结语 

    本节点的设计利用传统的经典电路，并且用ADuM1201代替传统的光电隔离器件，降低了系统功耗，简化了系统结构，增强了系统稳定性，提高了系统的性能，成板之后调试效果良好，并且为基于CAN总线的智能节点的应用设计提供了一定的参考价值。