第11章LIN总线收发器TJA1020ppt课件

.,1,第十一章LIN总线收发器TJA1020,第一节简介第二节总体描述第三节从机应用第四节主机应用,.,2,第一节简介,LIN总线是一个低速的（最高20Kb/s）A类串行总线协议。LIN的子总线可以用于像座椅、门、控制板和方向盘等模块。它的作用是将开关、执行元件和传感器从子总线连接到主总线（如CAN总线）。LIN协议采用8N1编码字节区的UART/SCI串行数据链路格式。LIN网络包括一个主机节点和一个或多于一个从机点；主机节点控制媒体访问。这样一个单主机多从机的网络如图11-1所示。,下一页,返回,.,3,第一节简介,LIN的物理层在ISO9141标准中定义，并且为了符合汽车环境中的特殊应用（譬如EMC、ESD等），还作了一定的提高。本章将讲述TJA1020在LIN中作为物理媒体连接工具的技术实现。典型的LINECU如图11-2所示。,上一页,返回,.,4,第二节总体描述,一、TJA1020的特征TJA1020的主要特征是：（1）波特率高达20Kbps。（2）修整输出波形以使电磁辐射（EME）非常低。（3）高抗电磁干扰性（EMI）。（4）在低速应用中使用低斜率模式以进一步减少EME。（5）睡眠模式中的电流消耗极低。（6）在LIN对GND短路时电池受到放电保护。（7）传输数据（TXD）显性超时功能。（8）电池的工作范围广，可以从电压降（5V）到跳变启动情况（27V）。,下一页,返回,.,5,第二节总体描述,（9）控制输入电平和3.3V以及5V的器件兼容。（10）LIN从机应用时集成端电阻。（11）睡眠模式下本地和远程唤醒。（12）唤醒源的识别（本地或远程）。（13）不上电情况下的自动防故障保护，没有反向电流通路。（14）总线终端可防止短路和汽车环境下的瞬变。（15）直接的电池操作，可以防止负载断电、跳跃启动和瞬态。（16）不需要5V电源。（17）温度保护。,上一页,下一页,返回,.,6,第二节总体描述,二、TJA1020的方框图TJA1020的方框图如图11-3所示。三、TJA1020的工作模式TJA1020共有四种工作模式，它们分别是普通斜率模式、低斜率模式、准备模式和睡眠模式。这些操作模式的详细情况如表11-1和图11-4所示。1.睡眠模式TJA1020的睡眠模式使LINECU的功耗非常低。这是由于收发器本身的电流消耗非常低，而且通过INH输出关断了外部电压调节器造成的。因此，睡眠模式中，INH引脚悬空。,上一页,下一页,返回,.,7,第二节总体描述,尽管功率的消耗极低，但TJA1020仍能识别LIN引脚的远程唤醒和NWAKE引脚的本地唤醒并将模式切换到准备模式。而且，TJA1020还可以通过引脚NSLP直接激活普通或低斜率模式，这对于单片机的电源不是由INH输出控制的应用非常有用。TJA1020收发器的接收器（LIN）的输入、本地唤醒输入（NWAKE）和睡眠控制输入（NSLP）使用滤波器和/或定时器，以防止由汽车瞬态或EMI造成的不必要的唤醒。因此，所有的唤醒都要维持一段时间（tBUS，tWAKE，tgotonorm）,上一页,下一页,返回,.,8,第二节总体描述,如果睡眠输入引脚NSLP的低电平维持了至少tgotonorm(见图11-5)而且这段时间内没有发生唤醒事件，则TJA1020进入睡眠模式。这段滤波时间可以防止TJA1020由于EMI产生的不必要的瞬态而进入睡眠模式。如果引脚LIN和/或NWAKE连接到地也可以激活睡眠模式，譬如对地短路。睡眠模式中，连接引脚LIN和BAT的内部从机端电阻RSLAVE禁能；可以将它看做是一个弱点流源。当LIN总线对地短路时，它将电流的消耗减到最低。,上一页,下一页,返回,.,9,第二节总体描述,2.准备模式准备模式是一个中间模式，只有当TJA1020在睡眠模式时产生远程和本地唤醒时才会进入准备模式。准备模式中，INH引脚输出高电平，将外部电压调节器激活。另外，连接引脚LIN和BAT的内部从机端电阻RSLAVE激活。TJA1020用RXD引脚的低电平来标志准备模式。它也可以作为单片机的唤醒中断请求。另外，唤醒源可以用引脚TXD的下拉来标志。远程唤醒事件会在引脚TXD产生弱下拉，而本地唤醒事件将在TXD引脚产生强下拉。外部的上啦电阻由所使用的单片机来决定。,上一页,下一页,返回,.,10,第二节总体描述,图11-6和图11-7是远程和本地唤醒的时序图以及在引脚RXD和TXD的特定输出。如果LIN总线在一个隐形总线电平之后的显性电平至少持续tBUS，则可以通过LIN总线检测到远程唤醒。如果低电平持续了至少tNWAKE，则NWAKE引脚的下降沿将引起本地唤醒。3.普通斜率模式普通斜率模式用于通过LIN总线发送和接收数据。总线数据流由接收器转换成数字位流并在RXD引脚输出到单片机。RXD引脚的高电平表示LIN总线是隐形电平，而低电平表示LIN总线是显性电平。,上一页,下一页,返回,.,11,第二节总体描述,TJA1020的发送器将在TXD输入的单片机数据流转换成LIN总线信号波形，并加以修整，使EME达到最小。TXD输入的低电平会使LIN总线是显性电平。而高电平性则是LIN总线是隐性电平。普通斜率模式中，内部从机端电阻RSLAVE将LIN总线引脚拉高。引脚INH的电池高电平使外部电压调节器保持接通。将引脚NSLP和TXD置高电平，并持续至少tgotonorm,max,也可以进入普通斜率模式。当tgotonorm超时后会执行模式转换。图11-8是从睡眠模式或准备模式转换成普通斜率模式的时序图。,上一页,下一页,返回,.,12,第二节总体描述,4.低斜率模式如果LIN系统的速率低于10Kb/s，可以使用低斜率模式。它和普通斜率模式相比可以进一步减少（普通斜率模式中）已经非常低的EME。因此，它和普通斜率模式的唯一不同点式总线符号的过渡时间。低斜率模式的过渡时间是普通斜率模式过渡时间的两倍，如图11-9.低斜率模式只能通过睡眠或准备模式进入，不可能直接从普通斜率模式直接转换成低斜率模式。当引脚TXD的低电平和引脚NSLP的高电平维持了至少tgotonorm.max,TJA1020进入低斜率模式。当tgotonorm超时后会执行模式转换。图11-10是从睡眠模式或准备模式转换成低斜率模式的时序图。,上一页,下一页,返回,.,13,第二节总体描述,四、TJA1020和3.3V器件兼容TJA1020被设计成用于日益增长的汽车低电压应用。它的引脚TXD和NSLP减小了输入阀值，输出引脚RXD和TXD为漏极开路。因此。它可以和使用3.3V或5V电压的单片机兼容。这样，TJA1020和主单片机之间不需要5V的转换接口，而且收发器本身不需要额外的Vcc电源。为使引脚RXD和TXD达到高电平，当单片机的端口引脚没有集成上拉电阻时，要加外部上拉电阻。,上一页,下一页,返回,.,14,第二节总体描述,五、TJA1020的特性1.限制值根据绝对最大等级系统（IEC60134），所有电压都参考引脚GND。限制值如表11-2所示。2.温度特性根据IEC7471TJA1020的温度特性如表11-3所示。3.特征TJA1020特征见表11-4，其中，VBAT=527V；Tvj=-40+150；RL(LIN-BAT)=500；所有电压根据地定义；流入IC的是正向电流；典型值是在VBAT=12V的情况下得出。,上一页,返回,.,15,第三节从机应用,一、结构图11-11是LIN收发器TJA1020的从机应用。单片机通过UART/SCI接口或标准I/O口引脚连接到LIN收发器。TJA1020的TXD引脚是发送数据输入，RXD引脚是接收数据输出.LIN收发器的睡眠控制输入NSLP可以通过单片机的端口引脚来控制。TJA1020还有一个内部从机端电阻。因此，从机应用不需要外部的LIN总线端电阻。推荐使用图11-11中的电容CSLAVE，以提高LIN系统的EME和EMI性能。,下一页,返回,.,16,第三节从机应用,二、详细的引脚描述1.NSLP引脚睡眠控制引脚NSLP有内部下拉电阻RSLP，当发生开路故障时，仍能保持一个固定的输入电平。NSLP的低电平使TJA1020进入睡眠模式，并将功率的消耗减到最小。器件电源的输入阀值范围是5V和3.3V。典型的NSLP引脚应用如图11-12所示。单片机端口引脚对NSLP引脚的最小驱动能力可以用下面的方程计算，即当VcVIH(SLP)时，端口在最小高电平时的引脚输出能力为：式中：VIH(SLP)，minNSLP高电平输入电压的最小值；RSLP,minNSLP下拉电阻的最小值；IIL（SLP），maxNSLP低电平输入电流的最大值。,上一页,下一页,返回,（11-1）,.,17,第三节从机应用,2.TXD引脚（1）唤醒源识别。TXD是一个双向引脚。在普通斜率模式和低斜率模式中，它作为发送数据输入，而在准备模式中用于标至唤醒源。TXD引脚的低电平输出表面在NWAKE引脚发生本地唤醒事件。如果NWAKE引脚被用作本地唤醒源，TXD引脚要被上拉。这个上拉可以用两种方法执行：单片机的端口引脚有集成的上拉电阻RTX（C）（见图11-13（a）；将外部上拉电阻RTX（ext）连接到本地VCC（见图11-13（b）,上一页,下一页,返回,.,18,第三节从机应用,如果没有本地唤醒源，则不需要外部上拉电阻。TXD不会被TJA1020强下拉至低电平。如果TJA1020使用本地唤醒特征，外部上拉电阻RTX要求的上拉能力由下面的条件定义：当发生本地唤醒事件时，集成的唤醒源晶体管具有拉引脚TXD到低的驱动能力；TJA1020的集成TXD下拉电阻RTXD。单片机端口引脚的能力以及上拉电阻RTX的值可以用下面的方程计算，即在VTX（C）VIH（TXD），min时的最小高电平上拉电流为：,上一页,下一页,返回,（11-2）,.,19,第三节从机应用,当VTX（C）VIH（TXD），min时的最大低电平上拉电流为：式中：VTXD=0.4V。上拉电阻的阻值范围是：RTX,minxRTXRTX,max,上一页,下一页,返回,（11-3）,（11-4）,.,20,第三节从机应用,式中：VIH（TXD），minTXD高电平输入的最小电压；VIL（TXD），maxTXD低电平输入的最大电压；RTXD，minTXD下拉电阻的最小阻值；IIL（TXD），maxTXD低电平输入的最大电流；IOL（TXD），minTXD低电平输出的最小电流；注意：由于TXD引脚的LIN信号上升和下降的过程对称，因此它对整个系统的容差有影响。所以建议TXD输入的RC（负载）时间常数尽量小。,上一页,下一页,返回,.,21,第三节从机应用,（2）开路处理。引脚TXD有一个内部弱下拉电阻RTXD，它可以保证在出现开路故障时还能维持定义的输入电平。TXD的输入电平时显性，TXD控制超时功能可以防止LIN总线被箝位在显性电平而禁能发送器，而且弱下拉可以提供一个输出电平来释放TXD引脚。（3）RXD引脚。接收数据输出RXD提供了一个开漏特性以获得和单片机电源电压适配的输出电平。因此，3.3V的单片机可以在不用兼容接口时使用。如果单片机没有集成的上拉电阻，则要加上连接到单片机电压电压VCC的外部上拉电阻。图11-14是典型的RXD应用。,上一页,下一页,返回,.,22,第三节从机应用,上拉电阻RRX的阻值由TJA1020的RXD输出引脚的驱动能力确定，可以通过下式计算上拉电阻的阻值范围：RRX，minRRXRRX，max其中,上一页,下一页,返回,（11-5）,.,23,第三节从机应用,式中：ILH（RXD），max最大的RXD高电平漏电流；IOL（RXD），min最小的RXD低电平漏电流；VHIGH（RX），min单片机端口引脚（RX）最小的高电平输入电压；VLOW（RX），max单片机端口引脚（RX）最大的低电平输入电压；注意：由于RXD引脚的LIN信号上升和下降的过程对称，因此它对整个系统的容差有影响。所以建议RXD输出的RC（负载）时间常数尽量小，但上拉电阻RRX不应当低于1k。,上一页,下一页,返回,.,24,第三节从机应用,（4）NWAKE引脚。可以通过本地唤醒输入引脚NWAKE的下降沿检测本地唤醒事件。在下降沿后必须要有维持至少tNWAKE的低电平以保证最基本的EMI滤波。NWAKE引脚有一个电流流向电池的内部弱下拉电流源IIL（NWAKE），它在开路故障时可以定义一个引脚高电平。建议连接一个外部上拉电阻RWAKE1为外部唤醒开关或晶体管提供足够的电流。如果NWAKE的唤醒源和TJA1020的接地通路不同，建议在NWAKE引脚和唤醒源之间连接一个串联电阻RWAKE2.如果在唤醒源仍然连接到地而ECU丢失了地时，串联电阻RWAKE2可以通过NWAKE的内部保护二极管保护ECU不会有反向电流。图11-15是一个典型的NWAKE引脚应用，它通过外部开关进行本地唤醒。,上一页,下一页,返回,.,25,第三节从机应用,上拉电阻RWAKE1只是由唤醒源要求的电流决定，而串联电阻RWAKE2主要由应用中的ECU和外部唤醒源的电平偏移决定。用下式计算建议的串联电阻阻值范围：串联电阻的阻值范围：其中：,上一页,下一页,返回,.,26,第三节从机应用,式中VIL(NWAKE),max最大的NWAKE低电平输入电压；IIL(NWAKE),min最小的NWAKE上拉电流；INWAKE,min最小的NWAKE输出电流限值；,上一页,下一页,返回,（11-6）,.,27,第三节从机应用,由于NWAKE引脚内部上拉电阻和滤波特性，因此当应用不需要本地唤醒时，NWAKE要保持开路。建议将NWAKE引脚直接连接到BAT引脚（见图11-16（b）。对于其他引脚3是VCC电源输入而不是本地唤醒输入的LIN收发器，TJA1020也可以在硬件上兼容。因此，NAWKE输入的唤醒阀值被定义为高于5V。这样，这个引脚可以直接连接到应用的VCC电源，而且当VCC下降时也不会产生唤醒事件。但在一些应用中，要求LIN节点在上电后会自动唤醒。这个功能可以用NWAKE引脚上的RC电路来实现（见图11-16（b）。上电期间，这个RC电路可以将NWAKE的输入电压VNWAKE维持在VIL(NWAKE)，max至少tNWAKE，max时间，以产生一个本地唤醒。,上一页,下一页,返回,.,28,第三节从机应用,图11-17是电池电压VBAT和在上电期间的NWAKE电压VNWAKE，它显示了唤醒TJA1020的限制。RC电路可以通过下面的方程计算，即上电后唤醒的RC时间常数为：式中，tNWAKE，max通过NWAKE唤醒的最大显性时间；tBAT-ON，maxVBAT的最大上电斜坡上升时间。,上一页,下一页,返回,（11-7）,.,29,第三节从机应用,（5）INH引脚。INH控制的电压调节器。INH输出引脚是一个连接着BAT引脚的开漏输出，它可以控制一个外部电压调节器。典型的INH引脚应用如图11-18（a）所示。下拉电阻RINH的阻值范围可以用下面的方程计算，即下拉电阻的阻值范围：,上一页,下一页,返回,（11-8）,.,30,第三节从机应用,式中：ILH(INH)，max最大的INH高电平漏电流；VLOW(VoltReg)，max最大的限制低电平输入电压（电压调节器）。直接的电压调节器电源。由于INH具有驱动能力，TJA1020可以直接给电压调节器供电。图11-18（b）是一个从设备的典型INH引脚应用。INH引脚到电压调节器的最大电源电流IINH，max和最大的电压降VDROP可以用下面的方程计算，即引脚INH的最大电源调节器电源电流为：,上一页,下一页,返回,.,31,第三节从机应用,式中：IINH，max50mAINH引脚的最大电压降:,上一页,下一页,返回,（11-9）,（11-10）,（11-11）,.,32,第三节从机应用,式中：PQ，max最大的静止功率功耗（普通斜率模式，总线隐性，VINH=VBAT），图11-19；PTX，max最大的发动器功率消耗（普通斜率模式，发送占空比=50%，VINH=VBAT），见图11-19；RSW(INH)，maxBAT和INH的最大开关阻抗；Tvj，max最大的虚拟连接点温度（K）；Tamb，max最大的环境温度（K）；Rth（j-a）温度阻抗（K/W）。,上一页,下一页,返回,.,33,第三节从机应用,（6）LIN引脚。引脚LIN用于在LIN总线上发送和接收数据。发送是由一个控制波形的下方开关管来执行，而接收是由接收器执行。接收器的阀值Vth（rx）和BAT引脚电压有关，并有滞后Vthr（hys）.LIN引脚具有弱上拉电流源IIL（LIN）和一个与BAT并联的从机端电阻RSLAVE。从机端电阻、电流源以及下方开关管都有一个保护电流二极管。因此，不需要外部元件。而且，在LIN总线上使用一个电容负载可以改善EME和EMI特性，如图11-11所示。由于从机端电阻RSLAVE在睡眠模式中关断，电流源IIL（LIN）可以作为一个额外的弱上拉。因此，当LIN对地短路时，转换到睡眠模式将减少电流消耗。,上一页,返回,.,34,第四节主机应用,一、主机终端直接连接到BAT如图11-20所示，主机应用通过在LIN和BAT引脚之间串联的反响电流二极管和电阻RMASTER实现。这样的主机应用解决方案在LIN总线错误地对地短路时并不提供自动防故障功能。短路电流不能被关断，所以电池将持续放电。二、主机终端连接到INH为了实现自动防故障，TJA1020支持使用INH引脚驱动主机终端电阻RMASTER的高级应用解决方案。如图11-21主机端电阻和反向电流二极管串联连接到INH引脚而不是BAT引脚。这个解决方案的优点是可以通过切换到睡眠模式来关断主机终端，这样就解决了上面提到的LIN对地短路。,下一页,返回,.,35,第四节主机应用,在应用中，单片机检测到由于LIN总线对地短路而产生的持续显性电平后，可以通过选择睡眠模式来减少功率消耗。切换到睡眠模式可以关断外部电压调节器、主机终端RMASTER和内部的从机端电阻RSLAVE。内部的弱上拉电流源IIL（LIN）和TJA1020的内部电流消耗决定了LIN节点在这个故障情况下的电流消耗。三、INH和BAT的主机终端分离由于前面提到的高级主机终端提供了一个自动防故障系统，而且睡眠模式中有高的LIN总线阻抗。如果LIN总线可以容忍高的短路电流，则可以选择如图11-22所示的终端概念。,上一页,下一页,返回,.,36,第四节主机应用,当TJA1020在准备、普通斜率或低斜率模式中时，并联的电阻RMASTER-BAT和RMASTER-INH决定主机的终端。睡眠模式中，主机终端由RMASTER-BAT决定。因此，最大的LIN总线短路电流ISC，max可以用RMASTER-BAT来平衡：式中,RMAS