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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 61C 1024 ，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 61C 1024 的双口 RAM 中。最后， PC 通过 PCI 总线定时读取 61C 1024 双口 RAM 中的数据。     另外，这里用到的单片机 AT89C51CC01 也可用 AT89C51CC03 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。         注意：此图连接有误， PCA82C250 的引脚 4(RXD) 应与 ADuM1201 的引脚 7(Via) 相连； PCA82C250 的引脚 1(TXD) 应与 ADuM1201 的引脚 6(Vob) 相连。   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。    登陆 www.adum.com.cn 了解更多。