CAN總線應(yīng)用中的iCoupler隔離

1、can總線應(yīng)用中的icoupler隔離 an-770應(yīng)用筆記 one technology way p.o. box 9106 norwood, ma 02062-9106, u.s.a. tel: 781.329.4700 fax: 781.461.3113 can總線應(yīng)用中的icoupler隔離 ：ronn kliger和 sean clark 簡介 掌握器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(can)總線是設(shè)計(jì)用于工業(yè)應(yīng)用的一種穩(wěn)定的協(xié)議，最初針對汽車應(yīng)用而開發(fā)。它規(guī)定最大電纜長度為40米，最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為30。這種規(guī)范非常敏捷，優(yōu)勢明顯，因此其應(yīng)用日益廣泛。 由于can總線系統(tǒng)通常用于連接多個(gè)系統(tǒng)，鋪設(shè)距離很長，因此

2、總線和所連接的各系統(tǒng)之間的隔離特別關(guān)鍵。隔離可以防止can總線電纜網(wǎng)絡(luò)與連接至總線的系統(tǒng)之間的過壓瞬變造成破壞，同時(shí)消退網(wǎng)絡(luò)中的接地環(huán)路，削減信號失真和誤差，并防止電壓/接地失配影響電路。 本應(yīng)用筆記的目的是向用戶簡要介紹can總線協(xié)議，重點(diǎn)爭論系統(tǒng)物理層，并解釋系統(tǒng)隔離的重要意義。本應(yīng)用筆記還具體說明白如何在can總線系統(tǒng)中利用adi公司的icoupler產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)隔離。 圖1.can總線數(shù)據(jù)傳輸幀 can總線仲裁 can總線協(xié)議還規(guī)定了無損位仲裁方法，確保數(shù)據(jù)不會丟失。它是該協(xié)議最重要的特性之一。 can總線協(xié)議對總線上的數(shù)字規(guī)律狀態(tài)進(jìn)行了規(guī)定，將規(guī)律高電平狀態(tài)定義為隱性狀態(tài)，將規(guī)律低電平狀

3、態(tài)定義為顯性狀態(tài)。這樣設(shè)計(jì)的目的是允許每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能同時(shí)執(zhí)行偵聽和發(fā)送。 全部節(jié)點(diǎn)都會在每條消息開頭時(shí)發(fā)送一個(gè)顯性消息起始(som)位。其他節(jié)點(diǎn)會留意到總線活動，在消息包傳送完畢之前，不會嘗試啟動傳輸。 som位之后是仲裁字段。該字段為11位或29位長，取決于所用can總線協(xié)議的版本。 假如某條消息的優(yōu)先權(quán)最高，則其仲裁字段的顯性位數(shù)也最多。它將首先傳輸一個(gè)顯性位，而其他節(jié)點(diǎn)則傳輸隱性位。 仲裁字段也稱為識別符，用于確定消息在總線上的優(yōu)先權(quán)。仲裁字段發(fā)送完畢時(shí)，除優(yōu)先權(quán)最高的節(jié)點(diǎn)以外的全部節(jié)點(diǎn)都將已經(jīng)停止傳輸。 假如多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)開頭傳輸，則總是由發(fā)送最多數(shù)量顯性位的節(jié)點(diǎn)掌握總線。全部節(jié)點(diǎn)都監(jiān)控總

4、線，并在發(fā)覺有更高優(yōu)先權(quán)的傳輸時(shí)停止傳輸。 其他節(jié)點(diǎn)在該消息傳輸完畢后嘗試再次傳輸。在其次次嘗試中，仲裁字段值次高的節(jié)點(diǎn)掌握總線，仲裁過程再次重復(fù)。 這種無損總線仲裁方法可確保優(yōu)先權(quán)最高的消息始終得以傳送。 can總線概述can總線協(xié)議 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(iso)將can總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義為串行通信雙線總線，其數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)1 mbps。它使用兩層：一是iso11898所規(guī)定的差分信號物理層，用于供應(yīng)精彩的抗噪聲干擾性能；二是數(shù)據(jù)鏈路層，用于定義信號如何交互和通信。 數(shù)據(jù)幀 can總線協(xié)議采納異步數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)。傳送的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)幀發(fā)送，每次傳輸?shù)拈_頭和結(jié)束由起始位和停止位掌握。 數(shù)據(jù)幀由下列字段

5、組成：仲裁字段、掌握字段、數(shù)據(jù)字段、循環(huán)冗余校驗(yàn)字段和應(yīng)答字段。幀以幀起始“顯性”位開頭，并以幀結(jié)束字段(位)結(jié)束，如圖1所示。 an-770 圖2.can總線網(wǎng)絡(luò) can總線類型 第一次公布的can總線標(biāo)準(zhǔn)采納iso11519，針對最高125 kbps的數(shù)據(jù)速率而設(shè)計(jì)，一般將其稱為低速can標(biāo)準(zhǔn)。其次次公布的can總線標(biāo)準(zhǔn)采納iso11898，針對125 kbps到1 mbps的信號速率而設(shè)計(jì)，一般將其稱為can 2.0a標(biāo)準(zhǔn)。這兩種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的仲裁域均為11位。 工作原理 can總線收發(fā)器采納獨(dú)特的開漏設(shè)計(jì)(圖3)。 v tx最新的can總線標(biāo)準(zhǔn)是2.0b版。除了規(guī)定29位長的仲裁域之外，該

6、標(biāo)準(zhǔn)與2.0a完全相同。 can總線物理層 其物理層是一個(gè)平衡或差分雙線式串行接口(圖2)。大多數(shù)can系統(tǒng)都是采納5 v電源電壓設(shè)計(jì)，但也有一些系統(tǒng)采納3 v電源電壓設(shè)計(jì)。 差分雙線式總線上的數(shù)據(jù)通信采納不歸零(nrz)編碼。這可確保消息結(jié)構(gòu)緊湊，傳輸次數(shù)最少，并且具有高抗擾度。 can總線規(guī)范定義了從10 kbps到1 mbps的多種數(shù)據(jù)速率，但全部系統(tǒng)模塊都必需支持20 kbps數(shù)據(jù)速率。 iso11898標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定總線長度最長40米，分支線長度最長0.3米，節(jié)點(diǎn)數(shù)最多30個(gè)。然而，can總線物理層的魯棒設(shè)計(jì)允許使用長得多的電纜。通過細(xì)心設(shè)計(jì)，總線電纜長度可達(dá)1,000米。隨著總線長度增加

7、，最大數(shù)據(jù)速率會相應(yīng)地有所降低。 系統(tǒng)最高速度取決于總線電纜長度。1 mbps對應(yīng)的最大電 standby rx 圖3.典型的can收發(fā)器，包括低功耗待機(jī)模式電路 驅(qū)動器采納一對開漏器件在總線上構(gòu)建一個(gè)差分信號，包括canh(高)和canl(低)。這兩個(gè)信號的結(jié)合產(chǎn)生總線上的主動信號電平。主動信號電平代表規(guī)律低狀態(tài)。假如沒有放射器來驅(qū)動，則利用上拉電阻將總線電平設(shè)置為vcc/2。vcc/2電平是被動信號總線電平，代表規(guī)律高狀態(tài)(圖4)。 纜長度為40米。一個(gè)采納11位識別符的8字節(jié)幀的最差狀況傳輸時(shí)間為134位時(shí)間；若以1 mbps的最大波特率傳輸，該時(shí)間相當(dāng)于134 s。 圖4.can總線信

8、號 an-770 在顯性狀態(tài)期間，有效驅(qū)動器將canh線配置為高電平，將canl線配置為低電平。canh的差分信號電平典型值為vcc 0.9 v，canl為地以上1.5 v。 可以使用外部上拉電阻來配置總線的隱性狀態(tài)。很多can總線收發(fā)器都在內(nèi)部將驅(qū)動器輸入引腳和接收器輸出引腳被動拉高。 can總線收發(fā)器的非總線側(cè)連接到can掌握器或一個(gè)處理器。收發(fā)器這一側(cè)上的信號為標(biāo)準(zhǔn)0 v至5 v或0 v至3 v規(guī)律電平。 很多收發(fā)器在處理器側(cè)還有一個(gè)待機(jī)掌握輸入端，允許掌握器將收發(fā)器置于低功耗待機(jī)模式，以降低系統(tǒng)功耗。低功耗接收器在待機(jī)模式期間仍舊有效，以便監(jiān)控總線的狀態(tài)變化。當(dāng)檢測到總線活動時(shí)，接收器

9、向掌握器發(fā)送信號，以激活本地can節(jié)點(diǎn)。 電動馬達(dá)等有較大電流開關(guān)的設(shè)備工作時(shí)會造成接地電位快速變化。這類變化會在任何四周的線路中產(chǎn)生電流以使接地電位相等。 其他感應(yīng)電涌源還包括靜電放電(esd)和雷擊。這些感應(yīng)產(chǎn)生的電涌會在線路上產(chǎn)生數(shù)百、甚至數(shù)千伏電位，表現(xiàn)為瞬態(tài)電流和電壓浪涌。 這導(dǎo)致的結(jié)果是，電纜末端節(jié)點(diǎn)可能收到一個(gè)開關(guān)信號，疊加在相對于其本地接地為高電壓的電平上。這些不受掌握的電壓和電流會破壞信號，并且對本地收發(fā)器元件和系統(tǒng)而言可能是災(zāi)難性的，會造成連接至總線的元件損壞并導(dǎo)致系統(tǒng)故障。can總線系統(tǒng)通過40米或更長的電纜運(yùn)行并互連多個(gè)系統(tǒng)，因此極易受這類大事影響。 為防范此類潛在性的

10、破壞，總線上以及連接至總線的系統(tǒng)上的全部設(shè)備都必需參考同一地線。也就是說，連接至can總線的系統(tǒng)和每個(gè)can總線收發(fā)器都具有獨(dú)立且隔離的地。can總線系統(tǒng)參考同一地線可消退接地環(huán)路，從而防止接地環(huán)路和電涌破壞電路。 隔離還允許can總線電路基準(zhǔn)電平隨電纜線路上消失的任何電涌而上升或下降。允許電路基準(zhǔn)電壓源隨浪涌移動，而不是將其箝位于固定地，可防止器件受到損壞或毀壞。 要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)隔離，必需隔離can總線信號線路和電源。可通過隔離式dc-dc電源獲得電源隔離。信號隔離可通過光耦或adi公司的創(chuàng)新產(chǎn)品icoupler來實(shí)現(xiàn)。 端接 電纜每一端都需要端接電阻。差分電纜之間的標(biāo)準(zhǔn)端接電阻為120 ，電纜

11、每一端都進(jìn)行端接。這種布局產(chǎn)生標(biāo)稱值60 的總線負(fù)載，符合iso11898的要求。 容錯(cuò) can總線標(biāo)準(zhǔn)建議(但不要求)收發(fā)器應(yīng)當(dāng)能夠耐受多種故障情形，包括總線線路相互短接、對電源短接或?qū)Φ囟探?。收發(fā)器針對這些狀況供應(yīng)的典型愛護(hù)電壓范圍在4 v至+16 v之間，但不能認(rèn)為全部收發(fā)器都供應(yīng)容錯(cuò)力量。建議用戶認(rèn)真查閱數(shù)據(jù)手冊中的技術(shù)規(guī)格。 隔離的實(shí)現(xiàn) 隔離的實(shí)現(xiàn)方式并不非常簡單，但設(shè)計(jì)人員在實(shí)現(xiàn)隔離電路時(shí)必需考慮多個(gè)重要因素。 can總線要求通過電阻連接實(shí)現(xiàn)隱性狀態(tài)(通常為vcc/2)，并要求通過canh和canl的組合實(shí)現(xiàn)顯性狀態(tài)。數(shù)字隔離器并不支持這種信號標(biāo)準(zhǔn)。因此，無法在can總線收發(fā)器與電

12、纜之間插入數(shù)字隔離器。 can總線信號路徑隔離通過在收發(fā)器和本地can總線掌握器之間的數(shù)字信號路徑中設(shè)計(jì)隔離器來實(shí)現(xiàn)。can總線收發(fā)器的系統(tǒng)側(cè)利用0 v至5 v或0 v至3 v的數(shù)字規(guī)律電平信號，一般連接至can掌握器或處理器。icoupler隔離器包括相互隔離的輸入電路和輸出電路。在此位置放置icoupler可實(shí)現(xiàn)can總線電纜信號與連接至其上的每個(gè)系統(tǒng)的電氣隔離。 系統(tǒng)隔離概述 連接兩個(gè)系統(tǒng)的電纜總線上若消失不需要的電流和電壓，可能會導(dǎo)致嚴(yán)峻問題。高電壓和高電流可損壞連接至總線的元器件。這些電壓和電流主要有兩個(gè)來源：接地環(huán)路和電力線浪涌。這些電壓可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過can總線推舉的故障愛護(hù)水平。

13、假如總線或系統(tǒng)利用多個(gè)接地路徑，就會產(chǎn)生接地環(huán)路。連接至總線的兩條系統(tǒng)地線相隔數(shù)米或更遠(yuǎn)，不太可能處于相同電位，因此電流將在這兩個(gè)位置之間流淌。這種非預(yù)期的電流會損壞甚至毀壞系統(tǒng)元件。 電涌可能由多種緣由引起，它們是電流通過感應(yīng)方式耦合到電纜上的結(jié)果。工業(yè)環(huán)境中的長電纜線路和系統(tǒng)尤其易受電涌的影響。 an-770 為完成can總線電路與本地系統(tǒng)的隔離，無論采納icoupler還是光耦，都需要使用dc-dc隔離電源轉(zhuǎn)換器。隔離電源用于為本地can總線收發(fā)器和隔離器的can總線側(cè)供電。隔離電源一般由本地系統(tǒng)供應(yīng)。 數(shù)字隔離器和dc-dc隔離電源結(jié)合使用，可有效防止電涌損壞電路并消退接地環(huán)路。圖5說

14、明應(yīng)用icoupler集成的典型can總線系統(tǒng)配置中的系統(tǒng)隔離設(shè)計(jì)。 can總線規(guī)范定義了兩個(gè)最大數(shù)據(jù)速率：125 kbps和1 mbps。幸運(yùn)的是，全部icoupler產(chǎn)品都以高達(dá)1 mbps的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行。icoupler產(chǎn)品系列還包括數(shù)據(jù)速率高達(dá)10 mbps、25 mbps和100 mbps的器件。 器件成本一般與數(shù)據(jù)速率性能成正比。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)留意，器件性能滿意需要即可。不過，選擇低性能器件會使將來的系統(tǒng)性能升級更簡單并且成本更高，由于任何不能與升級的系統(tǒng)數(shù)據(jù)速度兼容的器件都需要進(jìn)行替換。 adi icoupler產(chǎn)品的傳播延遲顯著短于光耦。更短的傳播延遲意味著處理器與總線之間的

15、信號響應(yīng)時(shí)間更快。這在仲裁期間特殊重要，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)必需打算哪一條消息享有優(yōu)先權(quán)并掌握總線。因此，傳播延遲時(shí)間將打算以所需數(shù)據(jù)速率工作的總線的最大容許線路長度。 隔離器件選擇 系統(tǒng)性能要求是影響隔離器件選擇的最重要因素。其他考慮因素還包括空間限制和成本。 數(shù)據(jù)速率要求 系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率要求可能是唯一最重要的器件選擇參數(shù)。 空間要求 幾乎全部應(yīng)用都對最大尺寸有所要求，某些方案可能面臨空間嚴(yán)峻受限的問題，幸好現(xiàn)在有方法來解決這些問題。 isolated dc/dc 圖 5.采納三個(gè)adum1100的can總線隔離 an-770 系統(tǒng)空間問題的解決方案包括adum1301，它是一款16引腳soic封裝的

16、3通道隔離器件，可取代三個(gè)光耦合器和相關(guān)電路(圖6)。 越簡潔。更小的尺寸與更簡潔的布局可以降低電路板的成本。此外，電路板裝配成本一般隨裝配過程所需器件數(shù)的削減而成比例下降。因此，使用較少的器件進(jìn)行設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)更低的制造成本。 成本要求 幾乎全部系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中都難免遇到成本問題，必需對此加以考慮。成本因素影響著系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選擇。如上所述，隔離器的成本與數(shù)據(jù)速率性能成正比。只依據(jù)系統(tǒng)性能要求指定器件可以降低成本。 其他成本問題包括使用器件數(shù)量的考量，icoupler器件的成本隨通道數(shù)增加而增加。但是，單位通道的成本隨器件通道數(shù)增加而降低。 在單一器件中集成盡可能多的通道所帶來的額外成本優(yōu)勢還包括電

17、路板空間成本和裝配成本。器件數(shù)越少，電路板就越小。而且，一般而言，器件數(shù)越少，電路板的布局就 adi icoupler產(chǎn)品 與市面上的其他隔離產(chǎn)品相比，基于adi icoupler技術(shù)的產(chǎn)品為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者帶來多項(xiàng)顯著優(yōu)勢。icoupler產(chǎn)品性能優(yōu)越，功耗更低，牢靠性更高并且元件數(shù)更少，產(chǎn)品的成本特性可以與光耦相媲美。 adi icoupler技術(shù)概述 與光耦使用led和光電二極管不同，adi公司獨(dú)一無二的icoupler技術(shù)供應(yīng)的隔離基于芯片級變壓器。通過使用晶圓級工藝直接在片內(nèi)制造變壓器，icoupler通道能以較低成本相互集成以及與其它半導(dǎo)體功能集成在一起(圖7)。 isolated dc

18、/dc 圖6.采納adum1301的can總線節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)隔離 圖7.icoupler配置的截面圖 an-770 icoupler設(shè)計(jì)中使用的技術(shù)省去了光耦中發(fā)生的低效率光電轉(zhuǎn)換。這是由于icoupler無需光耦合器中使用的led。同時(shí)，由于通道完全采納晶圓級工藝制造，多個(gè)icoupler通道可輕松集成在單個(gè)封裝內(nèi)。icoupler技術(shù)提高了性能，降低了功耗，縮小了尺寸，并增加了牢靠性和成本優(yōu)勢。 icoupler與光耦相比的另一大獨(dú)特優(yōu)勢是省去了外部元件。除旁路電容以外，光耦還需要外部分立器件來偏置輸出晶體管并驅(qū)動led，而icoupler器件除了去耦電容以外不需要任何外部元件。icoupler

19、解決方案可以降低電路簡單性，削減成本。 icoupler產(chǎn)品還整合了獨(dú)特的刷新電路和看門狗電路。 在輸入端沒有高于2 s的規(guī)律轉(zhuǎn)換的狀況下，生成一組指示正確輸入狀態(tài)的周期性刷新脈沖，以確保輸出端的直流正確性。假如icoupler輸出端電路接收不到高于大約5 s的脈沖，則輸入端電路被認(rèn)為是未加電或不工作，在這種狀況下，看門狗定時(shí)器將使隔離器輸出強(qiáng)制為默認(rèn)狀態(tài)。 adi icoupler選擇 icoupler系列包含廣泛的產(chǎn)品組合，允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員選擇特別適用于設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。此外，icoupler結(jié)合了豐富的特性和選項(xiàng)，允許以更少的器件設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 icoupler系列供應(yīng)1通道至4通道產(chǎn)品選擇，并且

20、包括設(shè)計(jì)用于雙向通信、可增加直通式電路板設(shè)計(jì)的器件。還有針對各種數(shù)據(jù)速率性能的相應(yīng)icoupler器件可供選擇。 表i所示為產(chǎn)品選項(xiàng)比較，包括通道數(shù)量和數(shù)據(jù)速率性能。 表i. icoupler和隔離rs-485收發(fā)器產(chǎn)品 產(chǎn)品 ul隔離 額定值 (kv)型號 通道數(shù) 通道配置* 1/0 1/0 1/0 2/0 2/0 2/0 1/1 1/1 1/1 3/0 3/0 3/0 2/1 2/1 2/1 4/0 4/0 4/0 3/1 3/1 3/1 2/2 2/2 2/2 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5

21、2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 最大數(shù)據(jù) 速率(mbps) 、 5 v 25 100 100 1 10 25 1 10 25 1 10 90 1 10 90 1 10 90 1 10 90 1 10 90 最大傳播延遲(ns) 、5 v 18 18 18 150 50 45 150 50 45 10050 32 100 50 32 100 50 32 100 50 32 100 50 32 最大工作溫度 (c) 105 105125 105 105 105 105 105 105 105 105 105 105 105 105105105105105105105

22、105105105 封裝 8 引腳窄體 soic8 引腳窄體 soic8 引腳窄體 soic8 引腳窄體 soic8 引腳窄體 soic8 引腳窄體 soic8 引腳窄體 soic8 引腳窄體 soic8 引腳窄體 soic16 引腳窄體 soic16 引腳窄體 soic16 引腳窄體 soic16 引腳窄體 soic16 引腳窄體 soic16 引腳窄體 soic16 引腳窄體 soic16 引腳窄體 soic16 引腳窄體 soic16 引腳窄體 soic16 引腳窄體 soic16 引腳窄體 soic16 引腳窄體 soic16 引腳窄體 soic16 引腳窄體 soic adum1100 adum1100ar 1 adum1100br 1 adum1100ur 1 adum120x adum1200aradum1200br adum1200cr adum1201ar adum1201br adum1201cr 2 2 2 2 2 2 adum130x adum1300arw adum1300brw adum1300crw adum1301arw adum1301brw adum1301crwadum140x adum1400arwadum1400brw adum1400crw adum1401arw adum1401brw adum1401crw adum1402