惡劣電磁環境中的CAN總線接口電路設計

周明

（中國電子科技集團公司 第三十八研究所 汽車電子工程研究中心，合肥 230088）

引 言

CAN總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡，以其高性能和高可靠性在自動控制領域得到了廣泛的應用。CAN總線最初是為汽車應用開發的，規定了一種2線串行通信協議，支持高達1Mbps的數據速率、多達30個節點和40m的最大電纜長度。目前CAN總線主要用于汽車自動化領域，在工業過程控制領域也得到了廣泛的應用。

工業應用環境中存在著許多瞬變脈沖，這些瞬變脈沖會影響到數據的傳輸，甚至傷害互連的設備。為了能夠在高速現場總線通信時實現無錯誤的數據傳輸，工業系統設計工程師必須要對這些干擾進行處理，通常會使用具有絕緣隔離功能的光電耦合器來維持數據的完整性，并保護互連設備。對于應用于重型卡車、大型客車、油罐車等更為惡劣電磁環境中的車身總線產品，對CAN總線抗干擾能力有更嚴格的要求，通常需要CAN總線電源部分也實現物理隔離。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總線收發器和外圍器件設計參考電路。

1 CAN總線接口電路總體設計

CAN總線接口電路主要包含如下部分：控制器部分、收發器部分、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總線的通信協議主要是由它完成的，它可以實現物理層和數據鏈路層的所有功能。CAN總線控制器有許多芯片結構，獨立芯片的例如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構。本設計中根據智能化程度高、可靠性高、抗干擾能力強、成本低等要求，采用ST公司的STM32F103系列單片機內嵌CAN總線控制器方案。

CAN總線收發器芯片使用TI公司的汽車級收發器SN65HVDA541－Q1，芯片設計遵循CAN總線國際標準ISO 11898－1／2，通信支持SAE J1939、NMEA 2000標準的CAN總線數據接口，最大傳輸速率為1Mbps，采用5V主電源供電，工作溫度為－40～125℃。

隔離設計部分和外圍電路部分對電路穩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。

圖1 CAN總線接口電路總體框圖

2 電路隔離設計

電路隔離設計包含兩部分：一是CAN總線通信總線隔離設計；二是CAN總線收發器及外圍電路供電電源隔離設計。

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體光敏感器件和發光二極管組成隔離電路。輸入的電信號驅動發光二極管，使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，從而完成電—光—電的兩次轉換，實現電信號的傳送。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，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。

具體設計中，為減少光耦隔離帶來的CAN總線有效回路信號的傳輸延遲時間，選用安捷倫高速光耦隔離芯片ACSL－6210，該芯片傳輸延遲時間短，高電平典型延遲值僅為52ns，低電平典型延遲值為44ns，已接近TTL電路傳輸延遲時間的水平，完全滿足CAN總線1Mbps的通信速率要求。根據隔離要求可以設計出如圖2所示的參考電路。

圖2 光耦隔離參考原理圖

圖2中，光耦芯片中有兩路供電，Vdd3.3V為線路板內部電源，負責光耦與單片機CAN總線控制器通信部分供電。Vcc3.3V為隔離后的3.3V電源，負責光耦與CAN總線收發器通信部分供電。光電隔離器件兩側所用電源Vdd3.3V與Vcc3.3V必須完全隔離，否則，光電隔離將失去應有的作用。隔離電源Vcc3.3V可通過隔離電源芯片輸出5V后，再降壓實現。電路中的三極管V1與電阻R2、R3、R6用來控制單片機數據端發送和隔離后CAN總線數據端發送之間的數據傳送：當MCU－＞CAN為低電平時，三極管V1導通，光耦中ANODE2控制左側發光管發光，將光耦芯片第6引腳VO2拉至低電平；當MCU－＞CAN為高電平時，三極管V1截止，光耦芯片第6引腳通過R6上拉至高電平，從而實現了數據由MCU－＞CAN至光耦芯片第6腳的同步傳送。電路中的三極管V2和電阻R1、R4、R5用來實現CAN總線數據端接收到單片機數據端接收的傳送，控制原理同前所述。在該電路中，電阻R3和R4是控制光耦芯片中發光二極管工作電流的重要器件，將直接影響到傳輸成功率，發光二極管導通時工作在7～15mA區域，推薦工作在10mA左右。圖3為電源隔離電路，圖中供電電壓為3.3V，電阻R3和R4參考首選350Ω，發光二極管工作電流為9.4mA（VDD1／R3＝3.3V／350Ω＝0.009 4A）。

電源隔離芯片選用廣州金升陽科技有限公司的IB＿LT－1W系列產品，該系列產品是專門針對線路板上分布式電源系統中需要產生一組隔離電源的應用場合而設計的。該隔離芯片是1W、定電壓輸入、隔離穩定單電壓輸出、SMD封裝的DC—DC模塊電源。該產品適應于下述情況：① 輸入電源的電壓比較穩定（電壓變化≤±5%）；② 輸入／輸出之間要求隔離（隔離電壓≤1 000V）；③ 對輸出電壓穩定度和紋波噪聲要求高。

選用隔離電源芯片的型號為IB0505LT－W75，輸入是由線路板內部DC—DC電源產生的Vdd5V電壓，輸出穩定的隔離Vcc5V，為CAN總線收發器提供電源。產生隔離Vcc5V的具體電路見圖3，圖中L1和L2為小磁珠，可進一步降低系統干擾。隔離Vcc5V產生后，可以通過LDO降壓為前述光耦芯片提供的隔離部分電源Vcc3.3V。

圖3 電源隔離電路

3 CAN總線收發器和外圍電路設計

CAN總線收發器SN65HVDA541－Q1是一款抗干擾能力較強的芯片，該芯片內置過壓保護，CANH、CANL引腳耐壓值范圍－27～40V，抗瞬態脈沖電壓范圍為－200～200V。

為了保證總線的可靠傳輸，外圍電路設計需要考慮EMC及抗干擾問題。推薦參考電路如圖4所示，電路中外圍元器件參數選用參見表1。

圖4 CAN總線收發器及外圍電路

表1 CAN總線收發器外圍電路的元器件參數

電路設計中，PCB應預留空間和焊盤，用于焊接終端電阻R1、R2，以及電容C4和共模電感L，當電磁環境惡劣時，必須焊接共模電感L；收發器應該盡可能地靠近PCB邊緣的接插件，收發器與接插件之間不允許有其他集成電路芯片；接插件和收發器之間的CAN＿H／CAN＿L電路應該盡可能地緊湊；CAN＿H／CAN＿L和Tx、Rx電路應有防護措施，保證線間距或布置地防護線；產品內部CAN＿H和CAN＿L的布線總長度不超過10cm；在發送器芯片下和焊接面上，應布置地平面；在布線時，將C2、C3、C4及ESD的地直接接到地平面，不要與C1的接地線共線以后再接入地平面；電路中所有的地應與外部車身總線的地相連。

4 實驗測試

本文中設計的電路已經成功運用于集瑞重卡遠程監控終端產品中，隨產品一起通過了CAN信號線傳導干擾測試，達到CISPR25－2002零部件傳導騷擾限值等級三標準。

同時，還進行了如下的容錯性能測試：

① 地電位偏移：在標稱工作電壓下，地電位偏移不超過±2V時，產品能夠正常收發報文；

② 產品掉電：掉電后不影響其他車身產品之間的正常通信，產品在供電恢復后trsm（trsm＝300ms）時間內能恢復正常通信；

③CAN＿H和CAN＿L（或兩者之一）在某處斷開：對產品其他部分不造成任何損害，在斷開點同側的其他總線產品能夠通信；

④CAN＿H和CAN＿L（或兩者一）對地短路：產品通信會被中止，但是不對產品造成任何損害，在故障恢復以后，通信能夠在trsm（trsm＝300ms）時間內恢復正常；

⑤CAN＿H和CAN＿L（或兩者之一）對電源短路：產品通信會被中止，但是不對產品造成任何損害，在故障恢復以后，通信能夠在trsm（trsm＝300ms）時間內恢復正常；

⑥CAN＿H對CAN＿L短路：通信會被中止，但是不對產品造成任何損害，在故障恢復以后，通信能夠在trsm（trsm＝300ms）時間內恢復正常。

結 語

本文詳細介紹了一種適應惡劣環境的CAN總線接口電路，對電源隔離部分、信號線光耦隔離部分、CAN總線收發器及外圍元器件選擇進行了深入的分析和說明。本接口電路已經在集瑞重卡遠程監控終端上成功使用，通過了第三方公司的測試。測試結果表明，該電路抗干擾能力強，工作穩定性高，使用效果良好，可以推廣使用。

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