CAN网络控制器及相关芯片教学课件PPT总线收发器.pptVIP

第4章CAN网络控制器及相关芯片 讨论内容概述 4 1CAN总线收发器PCA82C250 82C2514 2控制芯片SJA1000 参考文献 阳宪惠 现场总线技术及其应用 北京 清华出版社史久根等 CAN现场总线系统设计技术 北京 国防工业出版社雷霖 现场总线控制网络技术 北京 电子工业出版社 2004甘永梅 李庆丰 刘晓娟 等 现场总线技术及其应用 北京 机械工业出版社 2004李正军 现场总线及其应用技术 北京 机械工业出版社 2006 杜尚峰 CAN总线测控技术及其应用 北京 电子工业出版社 2006王黎明等 CAN现场总线系统的设计与应用 北京 电子工业出版社 2008饶运涛等 现场总线CAN原理与应用技术 北京 北京航空航天大学出版社 2007 总线收发器是一个物理层的器件 它是CAN总线控制器和物理总线之间的接口 器件可以提供对总线的差动发送能力和对CAN总线的差动接收能力 CAN总线的两层协议固化在它的相关芯片中 主要是总线控制器和总线收发器 多个厂家能提供这类芯片 如 Philips的PCA82C250 Bosch的CF151和CDF160 Philips的PCA82C251和TJA1050 TI的SN65HVD2等 在4 1中将介绍Philips的250 251系列芯片 CAN网络控制器具有完成CAN通信协议所要求的物理层和数据链路层的几乎所有功能 多个厂家能提供各种类型的CAN网络控制器芯片 按功能来分有两类 1 独立的CAN控制器芯片 如Philips的SJAl000 2 集成到微控制器中的控制器芯片 8位微控制器 CAN控制器的芯片 如Philips的P8XC59X系列芯片 16位微控制器 CAN控制器的芯片 Motorola的68HC912系列 32位微控制器 CAN控制器的芯片 Motorola的MC6837X系列 DSP CAN控制器的芯片 TI的TMS320LF24系列等 目前还有不少ARM CAN控制器的芯片及其他微控制器 CAN控制器的芯片 设计CAN节点时 首先通过互联网等搜索了解最新款 最适用的CAN控制器 最好是采用带有丰富I O功能和CAN控制器的微控制器 即采用微控制器 CAN控制器的方式 以减小节点的体积 提高系统的可靠性 同时还要注意芯片中的处理器内核自己是否熟悉 开发仿真是否方便等 在具体介绍总线收发器PCA82C250之前 首先简要介绍一下CAN总线媒体装置特性 相关内容可参考 雷霖 现场总线控制网络技术 的6 2 7节或陈宪惠 现场总线技术及其应用 的7 2 6等文献 自学 CAN能够使用多种物理媒体 如双绞线 光纤等 最常用的是双绞线 信号使用差分电压传送 两条信号线被称为 CAN H 和 CAN L 总线可具有两种逻辑状态 隐性 逻辑 1 或显性 逻辑 0 在隐性状态下 VCAN H和VCAN L被固定于平均电压 2 5V左右 二者之差Vdiff近似为零 显性状态以大于最小阈值的差分电压表示 此时电压通常为 CAN H 3 5V CAN L 1 5V 在显位期间 显性状态改变隐性状态并发送 总线上的位电平如下图所示 CAN技术规范2 0B的物理层包括位编码 解码 位定时及同步等内容 但对总线媒体装置 如驱动器 接收器特性 未作规定 以便在具体应用中进行优化设计 ISO11898中 对基于双绞线的CAN总线媒体装置特性给出了建议如下图所示 连接于总线的节点称为电子控制装置 ECU 总线每个末端均接有以RL表示的抑制反射的终端负载电阻 而位于ECU内部的RL应予取消 总线驱动可采用单线上拉 单线下拉或双线驱动 接收采用差分比较器 若所有ECU的晶体管均被关闭 则总线处于隐性状态 此时总线的平均电压由具有高内阻的每个ECU电压源产生 若成对晶体管至少有一个被接通则显性位被送至总线 它产生流过终端电阻的电流 使总线的两条线之间产生电压差 物理媒体附属装置子层的电气规范分别示于表6 3至表6 7 表中给出的所有数据均与特定的物理层实现无关 这些表中给出的参数应被每个ECU的工作温度范围所满足 选择这些参数可以多达30个ECU连接至总线 总线所采用的电缆及终端电阻如表6 8所示 总线的拓扑结构见图6 17和表6 9 4 1CAN总线收发器PCA82C250 82C251 4 1 1简介 CAN总线收发器PCA82C250 251提供协议控制器和物理传输线路之间的接口 可以用高达1Mb s的速率在两条有差动电压的总线电缆上传输数据 由于PCA82C251有更高的击穿电压 因此可以在电源电压范围内驱动低至45 的总线负载 而且PCA82C251在隐性状态下的拉电流更小 在掉电情况下的总线输出特性有一定改善 这两款总线收发器器件具有以下特性 完全符合ISO11898标准 高速率 最高达1Mb s 具有抗汽车环境中的瞬间干扰 斜率控制 降低射频干扰 RFl 差分接收器 抗宽范围的共模干扰 抗电磁干扰 EMl 热保护 总线与电源及地之间的短路保护 低电流待机模式 掉电自动关闭输出 未上电的节点对总线无影响 可支持多达110个节点相联接 4 1CAN总线收发器PCA82C250 82C251 4 1 2结构和功能 接CAN控制器 接CAN总线 引脚功能如表4 2所示 PCA82C250驱动电路内部具有限流电路 可防止发送器的输出级对电池电压的正端和负端短路 CANH和CANL这两条差分驱动线也能防止受到在汽车环境下可能发生的电气瞬变现象的影响 4 1CAN总线收发器PCA82C250 82C251 4 1 3工作模式 PCA82C250 C251共有3种不同的工作模式 高速 待机 斜率控制 通过Rs引脚来选择提供 1 高速模式适合执行最大的传输速率和 或最大的总线长度 常用于普通的工业应用 譬如基于CAN的DeviceNet 这种模式的总线输出信号用尽可能快的速度切换 因此一般使用屏蔽的总线电缆以防止射频干扰问题的出现 高速模式通过VRs 0 3Vcc来选择 具体怎么做 将Rs控制输入直接连接到微控制器的输出口 或者地电平 或者一个高电平有效的复位信号 2 斜率控制模式在一些应用中由于考虑到系统的成本等问题而使用非屏蔽的总线电缆 此时 PCA82C250 251的总线信号转换速度应被降低 转换速度可以通过连接在控制引脚Rs上的串连阻抗值Rext来调整 总线输出的转换速度大致和流出引脚Rs的电流成比例 电流范围在10 A IRs 200 A 如果Rs引脚的输出电流在这个范围中 引脚Rs将输出大约0 5Vcc的电压 当在Rs引脚和地电平之间应用一个适当的电阻时 收发器被设置成斜率控制模式 电阻阻值的经验值范围在16 5k Rext 140k 之间 斜率控制模式带来的后果是什么 在给定传输速率下 总线长度变短 在给定的总线长度下 传输速率降低 3 待机 准备 模式系统功耗被彻底减低 可用于电池供电情况 如汽车停车的时候 电路进入待机方式后 如果在总线上传输一个报文 系统可被重新激活 收发器将通过RXD向协议控制器输出一个唤醒中断信号 在检测到RXD的下降沿后 控制器把Rs引脚置为逻辑低电平 这样收发器就可以切换到普通传输模式 由于在准备模式中工作速度缓慢 若总线速度很高 收发器在准备模式中不可能正确地接收报文 如何进入准备模式 一般在Rs引脚上加一个逻辑高电平 CAN收发器的真值表如下表所示 4 1CAN总线收发器PCA82C250 82C251 4 1 4应用指南 1 应用举例 参考 杜尚丰等 CAN总线测控技术及其应用 电子工业出版社 PCA82C250 251收发器的典型应用如下图所示 1 协议控制器通过串行数据输出线TX和串行数据输入线RX分别连接到收发器的TxD和RxD 2 收发器通过有差动发送和接收功能的两个总线终端CANH和CANL连接到总线电缆 3 输入Rs用于模式控制 4 参考电压输出VREF的输出电压是额定Vcc的0 5倍 其中收发器的额定电源电压是5V 协议控制器通过串行数据输出线TX和串行数据输入线RX连接到收发器 收发器通过有差动发送和接收功能的两个总线终端CANH和CANL连接到总线电缆 输入Rs用于模式控制 参考电压输出VREF的输出电压是额定Vcc的0 5倍 其中收发器的额定电源电压是5V 协议控制器输出一个串行的发送数据流到收发器的TxD引脚 如果TxD是逻辑低电平 总线的输出级将被激活 在总线电缆上产生一个显性的信号电平 输出驱动器由一个源输出级和一个下拉输出级组成 CANH连接到源输出级 CANL连接到下拉输出级 在显性状态中CAN H的额定电压是3 5V CAN L为1 5V 如果没有一个总线节点传输一个显性位 则总线处于隐性状态 即网络中所有TxD输入是逻辑高电平 另外 如果一个或更多的总线节点传输一个显性位 即至少一个TxD输入是逻辑低电平 则总线从隐性状态进入显性状态 线与功能 接收器的比较器将差动的总线信号转换成逻辑信号电平 并在RxD输出 接收到的串行数据流传送到总线协议控制器译码 接收器的比较器总是活动的 也就是说 当总线节点传输一个报文时 它同时也监控总线 这就要求有诸如安全性和支持非破坏性逐位竞争等CAN策略 一些控制器提供一个模拟的接收接口 RX0 RXl RX0一般需要连接到RxD输出 RX1需要偏置到一个相应的电压电平 这可以通过VREF输出 见上图 或一个电阻电压分配器 见下图 实现 前图中收发器直接连接到协议控制器及其应用电路 如果需要电流隔离 光耦可以如下图所示的那样放置在收发器和协议控制器之间 使用光耦时要注意选择正确的默认状态 特别是在隔开的协议控制器电路一边没有上电时 这种情况下连接到TxD的光耦应该是 暗 的 即LED关断 当光耦是断开 暗时 收发器的TxD输入是逻辑高电平 可以达到自动防故障的目的 使用光耦还要考虑到将Rs模式控制输入连接到高电平有效的复位信号 例如 当本地收发器电源电压在 斜率上升和下降过程中 没有准备好的情况下禁能收发器 然而在协议控制器和收发器之间使用光耦通常会增加总线节点的循环延迟 信号在每个节点要从发送和接收路径通过这些器件两次 当位速率给定时 这将减少可使用的最大的总线长度 在计算由于CAN网络中的传播延迟对最大总线长度的影响时不能忽视这个问题 2 工作模式前已述及PCA82C250和PCA82C251有三种不同的工作模式 高速模式 斜率控制模式和待机模式 模式选择由Rs引脚控制 前图中是收发器在准备模式和普通工作模式间切换的例子 图中 Px y 高 PCA82C250 251切换到准备模式VRs 0