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CAN总线控制器接口电路的设计

发布时间:

2010 年

第 23 期

SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION

○ 机械与电子 ○

科技信息

CAN 总线控制器接口电路的设计
谢 兵 (攀枝花学院电气信息工程学院 四川 攀枝花

617000)

【摘 要】围绕 CAN 总线控制器 SJA1000 和高速收发器 TJA1040 ,采用多电源供电和光耦隔离的方式,设计实现了较为可靠的 CAN 总线 接口电路。 【关键词】CAN 总线;SJA1000 ;TJA1040

Design of Interface Circuit for CAN Bus XIE Bing (Electrical and Information Engineering Institute, Panzhihua College, Panzhihua Sichuan, 617000, China) 【Abstract 】Based on CAN bus controller SJA1000 and high speed CAN transceiver TJA1040, using multi -power and couple isolation, we implement a reliable CAN bus interface circuit. 【Key words 】CAN bus ;SJA1000 ;TJA1040

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引言

CAN 总线是国际上应用最广泛的现场总线之一。 最初,CAN 被设 计作为汽车环境中的微控制器通讯, 在车载各电子控制装置 ECU 之 间交换信息,形成汽车电子控制网络 。 现 在 ,CAN 的 高 性 能 和 可 靠 性 已被认同,并被广 泛 地 应 用 于 工 业 自 动 化 、船 舶 、医 疗 设 备 、工 业 设 备 等方面 [1]。 CAN 作为一种多主方式的串 行 通 讯 总 线 , 基 本 设 计 规 范 要 求 有 高的位速率,高抗电磁干扰性,而且能够检测出任何的错误。 当信号传 输距离达到 10km 时,CAN 仍提供高达 50Kbit/s 的数据传输速率。 CAN 总线可同时连接多个单元 的 总 线 。 理 论 上 数 量 是 没 有 限 制 的,但实际上受总线上的时间延迟及电气负载的限制。 CAN 的规范定 义了网络模型的最下面两层:数据链路层和物理层。 物理通过光纤、双 绞线等物理连接形成。 数据链路层则规定了数据传输的格式、错误处 理机制等,即 CAN 协议。 此协议可通过软件程序模拟,但更方便可靠 的是设计特定的模块来依照此协议处理数据的传输, 此模块称为 CAN 协议控制器(如 PHILIPS 公司的 SJA1000 芯片)。 CAN 协 议 控 制 器和物理总线之间需要收发器(如 TJA1040 ), 提供差动的发送功能。 本 文围绕 SJA1000 芯片设计可靠的 CAN 总线接口电路, 具有电气隔离 性好、可靠性高的特点。

可达 1.2km 远,通讯节点数目可达 110 个 节 点 。 TJA1040 主 要 应 用 在 汽车电子应用 ,或 者 用 于 工 业 控 制 领 域 ,能 够 适 应 任 何 苛 刻 的 工 作 环 境。 TJA1040 的特性包括 [3]: 速度高达 1Mbps ; 电磁辐射 (EME) 非常低; 至少可以连接 110 个节点; 发送数据 (TXD) 显性超时功能; 输入级符合 3.3V 和 5V 的器件; 过热保护功能; SPLIT 引脚对 DC 的稳压很有效; 处于不上电状态的收发器会从总线脱离 ( 零负载 ) ; 在汽车的瞬态环境下对总线引脚进行保护; 差动接收器具有较宽的共模范围,可抗电磁干扰 (EMI) ; 如 果 使 用 分 裂 终 端 ,电 压 源 可 以 稳 定 隐 性 总 线 电 平 ( 进 一 步 改 善

EME) 。

2
2.1

硬件电路设计

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1.1

硬件描述

CAN 控制器 SJA1000 与 AT89S52 连接 这 里 以 Atmel 公 司 的 AT89S52 微 控 制 器 为 例 ,CAN 控 制 器 SJA1000 与 AT89S52 连接的原理图如图 1 所示:

CAN 控制器 SJA1000 介绍 SJA1000 是 一 个 独 立 的 CAN 控 制 器 , 它 在 汽 车 和 普 通的工业应用上有先进的特征。 由于它和 PCA82C200 在 硬 件 和 软 件 都 兼 容 , 因 此 它 将 会 替 代 PCA82C200 SJA1000 ,具 有 一 系 列 先 进 的 功 能 ,适 合 于 多 种 应 用 ,特 别

在系统优化诊断和维护方面非常重要。 SJA1000 的特性包括 [2]: 和 PCA82C200 独 立 CAN 控 制 器 电 气 兼 容 和 引 脚 兼 容,默认的 BasicCAN 模式即为 PCA82C200 模式; 可扩展的接收缓冲器 64 字节先进先出 FIFO ; 和 CAN2.0B 协 议 兼 容 PCA82C200 兼 容 模 式 中 的 无 源扩展帧; 同时支持 11 位和 29 位识别码; 位速率可达 1Mbits/s ; PeliCAN 模式扩展功能; 24MHz 时钟频率; 对不同微处理器的接口; 可编程的 CAN 输出驱动器配置; 增强的温度适应 -40℃-125℃ 1.2 高速收发器 TJA1040 介绍 TJA1040 芯片是 PHILIPS 公司在 2002 年推出的新一代高速 CAN 收发器, 是 PCA82C250/251 、TJA1050 的 升 级 型 号 , 具 有 非 常 优 秀 的 EMC 性 能 ,在 不 上 电 状 态 下 有 理 想 的 无 源 性 能 ,提 供 低 功 耗 管 理 ,支 持 远 程 唤 醒 , 并 集 成 有 完 善 的 总 线 保 护 功 能 。 TJA1040 可 以 支 持 40Kbps~1Mbps 高 速 率 范 围 ,在 不 需 要 CAN 中 继 器 的 场 合 ,通 讯 距 离

图1

SJA1000 与 AT89S52 连接的原理图

SJA1000 上 的 AD0~AD7 为 地 址 和 数 据 通 信 端 , 与 单 片 机 芯 片 AT89S52 的 P0 端口相连。 CS 引脚为芯片使能端,低电平有效,与地直 接相连使 SJA1000 始终处于工作的状态,随时能够处理数据的输入输 出。 读写引脚 RD 和 WR 分别于单片机的读写引脚相连,实现单片机 对其读写操作。 ALE 引脚与单片机的相应引脚相连 ,控制 SJA1000 的 工作模式。 中断信号从 INT 引脚引出,接入单片机的 INT0 引脚,以通 知数据处理的状态。 三个 VDD 和 VSS 引脚为 SJA1000 功能模块的电
源输入和接地的引脚,直接和电源与地相连。 SJA1000 采用独立的片外时钟控制,采用 16M 的晶振。 为提高时

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钟信号的稳定性,晶振电路的电容采用两个高频陶瓷 NPO 贴片电容。 RX0 与 TX0 为 CAN 总线信 号 收 发 端 , 与 外 部 集 成 收 发 器 相 连 。 TX1 悬 空 ,由 于 使 用 了 外 部 集 成 收 发 器 电 路 ,没 有 在 时 钟 分 频 寄 存 器 你使能比较器旁路功能,RX1 输出被连接到 2.5V 的参考电压。 电容 104 为 0.1uF 的旁路电容, 采用 X7R 材质的陶瓷贴片电容, 提高输入电压的品质。 2.2 CAN 总线驱动器电路 TJA1040 与 CAN 控 制 器 SJA1000 连 接 的 电 路 原 理 图 如 图 2 所 示:

图 3 所示。

图3

隔离电源电路

图2

CAN 控制器与发送器连接图

两块芯片 6N137 用于控制隔离器与外部总线上的信号,采用独立 供电,避免干扰信号影响控制系统功能,提高了控制系统的可靠性。 CAN 控 制 器 的 RX 与 TX 引 脚 分 别 与 起 隔 离 作 用 的 光 耦 器 OUT 引脚和 VF- 引脚相连,系统需要发送的数据通过 TX 输入到 CAN 驱动 器中,继而传输到 CAN 总线上;总线上的数据 则 通 过 驱 动 器 TJA1040 的 RX 引脚输入到控制器中,实现数据的发送与接收。 CANH 和 CANL 分别是低电平 CAN 总线输入 / 输出引脚和高电平 CAN 总线输入 / 输出 引 脚 ,与 两 线 接 口 相 连 ,接 入 CAN 物 理 总 线 ,实 现 本 CAN 节 点 的 挂 靠。 TJA1040 引脚 8 “STB ”用于控制收发器 的 待 机 模 式 。 如 果 将 这 个 引脚置高电平收发器会进入待机,接地则始终处于工作模式。 收 发 器 的 引 脚 5 “SPLIT ”提 供 了 一 个 VCC/2 的 输 出 电 压 ,这 个 电 源 相 关 的 低 阻 抗 (典 型 值 600 欧 ), 可 以 将 共 模 电 压 稳 定 到 额 定 的 VCC/2 。 所以引脚“SPLIT ”要被连接到分离终端的中间分接头,这样即 使由于未上电节点造成从总线到 GND 有很大的漏电流共模电压仍能 够维持在接近额定值的 VCC/2 。 2.3 电源电路 为了达到 CAN 总线与 CAN 节点之间电气隔离,防止二者之间 的 信号干扰,设计了两路电源,分别为微处理器和 CAN 控制器供电。 如

Header3 为 电 源 插 座 , 与 外 部 12V 电 源 相 连 。 24S05W 是 电 源 (DC-DC )转换模块,提供 12V 到 5V 的电源转换。 转换模块前后接有 去耦电容,去耦电容采用贴片 10uF 钽电容,以达到去电源纹波提高直 流电源的品质的作用。 VCC1 为单片机、CAN 控制器和光电耦 合 器 等 部件供电。 B0505S 为 5V 电源隔离稳定模块 , 输 出 的 VCC2 为 CAN 收 发 器 及其相连的光耦提供电源。这里 B0505S 不能空载运行,其输出功率必 须保持在 20% 满功率以上,所以挂接了 240 欧的电阻。

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结束语

一个由 CAN 总线组成的单一网络中,理论上可挂接无数个节点。 CAN 可 提 供 高 达 1Mbit/s 的 数 据 传 输 速 率 , 这 使 得 实 时 控 制 非 常 容 易。 以上介绍了带高速收发器 TJA1040 的 CAN 总线接口电路的设计, 实际操作表明,此 带 隔 离 电 源 的 接 口 电 路 简 单 可 靠 ,能 够 发 挥 高 速 收 发器的快速与节能的特性。 科


【参考文献】
王黎明 .CAN 现场总线系统的设计与应用 .北京:电子工业出版社,2008,3. [1] [2] Philips Semiconductors.SJA1000 Stand -alone CAN controller [EB/OL]. http:// www.ic-cn.com.cn/static/pdf/SJA1000_PHILIPS_242559.pdf. [3] Philips Semiconductors.TJA1040 High speed CAN transceiver [EB/OL]. http:// www.zlgmcu.com/philips/can/tja1040/TJA1040_1_en.pdf. 作者简介:谢兵,男,攀枝花学院,教师。

[责任编辑:曹明明]



(上接第 611 页)It(AV)= 2π-2θ IL≈6A



2

反电动势负载的影响
图 6a 所示是反电动势负载单相半控桥式整流电路。

从图 中 可 看 出 ,反 电 动 势 负 载 使 晶 闸 管 的 导 通 角 θ 变 小 ,且 反 电 动势越大,导通角 θ 越 小 ,电 流 波 形 的 底 部 就 越 窄 ,脉 动 就 越 大 ,如 要 输出一定的平均电流,其波形幅值必然很大。 这种电流对直流电动机 负载来说,在换相时容易产生火花。 在实际 应 用 中 ,常 在 负 载 回 路 中 串 联 一 个 平 波 电 抗 器 ,以 减 小 电 流的脉动和 延 长 晶 闸 管 的 导 通 时 间 。 为 了 防 止 在 电 路 中 产 生 失 控 现 象,还要并联续流二极管,使它的工作情况类似于大电感负载。

3

结语

通过分 析 ,负 载 类 型 对 晶 闸 管 整 流 有 较 大 影 响 ,必 须 采 取 相 应 措 施,以防止晶闸管的损坏,保证负载的可靠运行。 科


【参考文献】
a)电路图 b)波形图
电子技术基础 .中国劳动社会保障出版社 ,2007 年 4 月 ,第 4 版 . [1] 姜桥 .电子技术基础 .人民邮电出版社 ,2009 年 09 月 . [2] 作 者 简 介 :吴 敏 (1967 —),男 ,汉 族 ,重 庆 涪 陵 人 ,本 科 ,重 庆 工 贸 职 业 技 术 学院电工实验师。

图6

反电动势负载对晶闸管整流的影响

只有当交流侧电压 u2 大于反电动势 E 时,晶闸管承受正向电压, 才能被触发导通。 晶闸管导通时,uL=u2。 当 u2=E 时,晶闸管关断,uL=E 。 输出电压、电流波形如图 6b 所示。

[责任编辑:曹明明]

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