汽车电子技术与单片机第8章

1、第八章 CAN总线驱动器,第一节 CAN总线驱动器82C250 第二节 CAN总线驱动器TJA1050 第三节 PCA82C250/251与TJA1040、TJA1050的比较和升级 第四节 总线长度及节点数的确定 第五节 总线终端及网络拓扑结构,第一节 CAN总线驱动器82C250,一、总述 82C250是CAN控制器与物理总线之间的接口，它最初是为汽车中的高速应用而设计的。器件可以提供对总线的差动发送和接收功能。82C250的主要特性如下： （1）与ISO 11898标准完全兼容； （2）高速率； （3）具有抗汽车环境下的瞬间干扰，保护总线能力； （4）采用斜率控制，降低射频干扰； （5）

2、过热保护； （6）在24V系统中防止电池对地的短路； （7）低电流待机模式； （8）未上电时，节点不会干扰总线； （9）总线至少可连接110个节点。,下一页,返回,第一节 CAN总线驱动器82C250,二、82C250功能框图 82C250的功能框图如图8-1所示，其基本性能参数和引脚功能如表8-1和表8-2所示。 三、功能描述 82C250驱动电路内部具有限流电路，可防止发送输出级对电源、地或负载短路。 82C250采用双线差分驱动，有助于抑制汽车在恶劣电气环境下的瞬变干扰。 引脚8（RS）用于选定82C250的工作模式。有三种不同的工作模式可供选择：高速、斜率控制和待机模式，如表8-3所示

3、。,上一页,下一页,返回,第一节 CAN总线驱动器82C250,在高速工作模式下，发送器输出级晶体管将以尽快的速度开、闭。 斜率控制模式允许使用非屏蔽双绞线或平行线作为总线。为降低射频干扰RFI，应限制上升和下降的斜率。 如果向管脚8加高电平，则电路进入低电流待机模式。在这种模式下，发送器被关闭，而接收器转至低电流。若在总线上检测到显性位，RXD将变为低电平。单片机应通过将收发器切换至正常工作状态，对此信息作出相应。由于在待机方式下接收器是慢速的。因此，当位速率很高时，第一个报文将丢失。82C250真值表如表8-4所示。 利用82C250还可以方便地在CAN控制器与驱动器之间建立光电隔离，以实

4、现总线上各节点之间的电气隔离。,上一页,返回,第二节 CAN总线驱动器TJA1050,一、总述 TJA1050是Philips公司生产的，是82C250高速CAN收发器的后继产品。该器件提供了CAN控制器与物理总线之间的接口以及对CAN总线的差动发送和接收能力。 TJA1050的主要特征如下： 与“ISO 11898”标准完全兼容； 速度高； 低电磁辐射； 具有带宽输入范围的差动接收器，可抗电磁干扰； 没有上电的节点不会对总线造成干扰；,下一页,返回,第二节 CAN总线驱动器TJA1050,发送数据控制超时功能； 发送禁能时的待机模式； 在暂态时自动对总线引脚进行保护； 输入级与3.3V装置兼

5、容； （10）热保护； （11）对电源和地的防短路功能； （12）可以连续至少110个节点。 二、TJA1050功能框图 TJA1050的功能框图如图8-2所示，其各引脚功能见表8-5所示。,上一页,下一页,返回,第二节 CAN总线驱动器TJA1050,三、功能描述 TJA1050是CAN协议控制器和物理总线之间的接口。它最初是应用在波特率范围在60Kb/s1Mb/s的高速自动化应用中。TJA1050可以为总线提供不同的发送性能，为CAN控制器提供不同的接收性能。而且它与ISO11898标准完全兼容。TJA1050具有82C250相同的电流限制电路，保护发送器的输出级，使由正或负电源电压以外造

6、成的短路不会对TJA1050造成损坏。其过热保护措施与82C250也大致相同，当与发送器的连接点的温度超过大约165时，会断开与发送器的连接。,上一页,下一页,返回,第二节 CAN总线驱动器TJA1050,通过引脚S可以选择两种工作模式：高速模式和待机模式。 高速模式就是正常工作模式，将引脚S接地可以进入这种模式。由于引脚S有内部下拉功能，所以当它没有连接时，高速模式也是默认的工作模式。在高速模式中，总线输出信号没有固定的斜率，并且以尽量快的速度切换。 在待机模式中，发送器是禁能的，所以它不管TXD的输入信号。但器件的其他功能可以继续工作。将S引脚连接到Vcc可以计入这个模式。,上一页,下一页

7、,返回,第二节 CAN总线驱动器TJA1050,在TJA1050中设计了一个超时定时器，用以对TXD端的低电位进行监视。TXD端信号的下降沿可启动该定时器。当TXD端低电位持续的时间超过了定时器的内部定时时间时，将关闭发送器，使CAN总线回到隐性电位状态。而在TXD端信号的上升沿定时器将被复位，使TJA1050恢复正常工作。定时器的典型定时时间为450s。TJA1050的真值表如表8-6所示。,上一页,返回,第三节 PCA82C250/251与TJA1040、TJA1050的比较和升级,一、简介 TJA1040像TJA1050和C250/251一样，是一个遵从ISO11898的高速CAN驱动器

8、，可以在汽车和工厂现场控制中使用。 TJA1050的设计使用了最新的EMC技术。它采用了先进的绝缘硅技术进行处理。这样，TJA1050比C250/251的抗电磁干扰性能提高了20dB。TJA1050不提供待机模式。TJA1040是以TJA1050的设计为基础。由于使用了相同的SOI技术，TJA1040具有和TJA1050一样出色的EMC特性。与TJA1050不同的是，TJA1040与C250/251一样有待机模式，可以通过总线远程唤醒。,下一页,返回,第三节 PCA82C250/251与TJA1040、TJA1050的比较和升级,二、C250/251、TJA1050和TJA1040之间的区别

9、表8-7从应用的角度列出了C250/251、TJA1050和TJA1040之间的区别。 三、引脚 图8-3显示了C250/251、TJA1050和TJA1040的引脚。除了两个重新命名的引脚外，这3个总线驱动器相同。 1.模式控制引脚（引脚8） 收发器的引脚8是用于控制收发器的工作模式。这个引脚在TJA1040上的助记符是“STB”，是指待机模式；在C250/251上的助记符是“Rs”，是指斜率控制电阻；在TJA1050上的助记符是“S”，是指静音模式。,上一页,下一页,返回,第三节 PCA82C250/251与TJA1040、TJA1050的比较和升级,2.参考电压引脚（引脚5） 总线驱动器

10、的引脚5提供了一个VCC/2的输出电压。C250/251和TJA1050引脚5的助记符是“Vref”。它是为了前面CAN控制器的模拟比较器提供一个参考电压，使比较器能够准确地读出总线上的位流信号。 TJA1040引脚5的助记符是“SPLIT”。这个引脚提供了VCC/2的电压。 四、工作模式 如前面所说，收发器的工作模式是由引脚8控制的。表8-8显示了相关工作模式以及提供的功能和引脚8相应的设置。,上一页,下一页,返回,第三节 PCA82C250/251与TJA1040、TJA1050的比较和升级,下面的内容对不同的工作模式和所提供的功能进行简短的描述。 1.正常高速模式 对于这里的所有总线驱动

11、器而言，正常（高速）模式都是相同的。它用于正常的CAN通讯。 2.待机模式 C250/251和TJA1040提供了一个专用的待机模式。在这种模式中，电流消耗减到最低。在待机模式中TJA1040和C250/251发送器不管TXD上的信号，完全禁能。 3.斜率控制模式 只有C250/251提供斜率控制模式。它通过在Rs引脚和GND电平之间连接电阻来调整斜率。 4.静音模式 TJA1050提供一个专用的静音模式。这个模式中发送器完全禁能，这样就保证了没有信号能从TXD发送到总线上。,上一页,下一页,返回,第三节 PCA82C250/251与TJA1040、TJA1050的比较和升级,五、互操作性 由

12、于C250/251、TJA1050和TJA1040、TJA1041都符合ISO11898标准，就保证了在正常模式下的互操作性。表8-9显示了在不同工作模式下和不上电情况下的总线偏压。当有不同的总线偏压时，系统会得到一个稳定的偏压补偿电流。补偿电流的大小由共模输入阻抗决定。图8-4显示了包含TJA1040和C250节点总线处于隐性状态的补偿电路。,上一页,下一页,返回,第三节 PCA82C250/251与TJA1040、TJA1050的比较和升级,下面的公式计算了TJA1040和C250节点混合系统的整个偏压补偿电流 式中，nC250为上电的C250节点数目；nTJA1040处于待机/睡眠模式的

13、TJA1040节点数目；RCM，min（C250）=5k表示C250在引脚CANH/L上最小的共模输入阻抗； RCM，min（TJA1040）=15k表示TJA1040在引脚CANH/L上最小的共模输入阻抗。,上一页,下一页,返回,（8-1）,第三节 PCA82C250/251与TJA1040、TJA1050的比较和升级,1.TJA1040和C250/C251/TJA1050混合使用 表8-10显示了导致不同的总线偏压和补偿电流的情况。 2.TJA1040和TJA1041节点混合使用 表8-11显示了TJA1040和TJA1041节点的混合系统。 六、硬件问题 图8-5和图8-6分别显示了C2

14、50/251和TJA1050的典型应用电路。图8-7显示了TJA1040的等价电路。,上一页,下一页,返回,第三节 PCA82C250/251与TJA1040、TJA1050的比较和升级,1.C250/251用TJA1050代替的硬件检查注意事项 比较图8-5和图8-6的应用电路，当用TJA1050代替C250/251时，要注意检查以下事项： （1）如果C250的模式控制引脚8接有一个斜率控制电阻Rs控制斜率，要将这个电阻去掉。TJA1050相应的引脚（引脚“S”）要被连接到单片机的输出端口。 （2）由于TJA1050的对称性能非常好，所以不需要共模扼流圈。然而，为了确保电磁辐射最低，极力推荐

15、使用分离终端，特别是在AM波段。,上一页,下一页,返回,第三节 PCA82C250/251与TJA1040、TJA1050的比较和升级,2.C250/251用TJA1040代替的硬件检查注意事项 比较图8-5和图8-7的应用电路，当用TJA1040代替C250/251时，要注意检查以下事项： （1）如果引脚SPLIT要用于共模电压的DC稳压，那么这个SPLIT引脚要连接到分离终端的中间分接头。如果SPLIT不使用，只要保持开路就可以了。 （2）如果C250的模式控制引脚8练有一个斜率控制电阻Rs控制斜率，要将这个电阻去掉。TJA1040相应的引脚要被直接连接到单片机的输出端口。,上一页,返回,

16、第四节 总线长度及节点数的确定,由CAN总线所构成的网络，其最大总线长度主要由以下三方面的因素所决定： （1）互联总线节点的回路延时（由CAN总线控制器和驱动器等引入）和总线线路延时； （2）由于各节点振荡器频率的相对误差而导致的位时钟周期的偏差； （3）由于总线电缆串联等效电阻和总线节点的输入电阻而导致的信号幅度的下降。,下一页,返回,第四节 总线长度及节点数的确定,在静态条件下，总线节点的差动输入电压由流经过该节点差动输入电阻的电流所决定。当发送节点在总线的一端而接收节点在总线的另一端时为最坏情况，这时接收节点的差动输入电压可按下式计算： 式中，RW为总线电缆电阻；RT为终端匹配电阻；Rd

17、iff为差动输入电阻；n为节点总数。,上一页,下一页,返回,（8-2）,第四节 总线长度及节点数的确定,当差动输入电压小于0.5V或0.4V时，接收节点检测为隐性位；当差动输入电压大于0.9V或1.0V时，接收节点检测为显性位。所需的差动输入电压可由下式表示： 其中，KSM为决定安全区电压的差动系数，在01之间取值。由于接收的差动输入电压必须大于检测显性位所需的电压，在极限情况下，可以得到如下表达式：,上一页,下一页,返回,（8-3）,（8-4）,第四节 总线长度及节点数的确定,根据关系 ，上式经变换后可得到： 式中：nmax系统接入的最大节点数； max所有电缆单位长度的最大电阻率； Vdi

18、ff，out，min（1.5V）输出显性位最小差动输出电压； VTH，max（1V）接收显性位最大阀值电压； Rdiff，min（20k）节点最小差动输入电阻； RT，min（118 ）最小终端电阻。,上一页,下一页,返回,（8-5）,第四节 总线长度及节点数的确定,一个网络中所能联结的最大节点数主要取决于CAN驱动器所能驱动的最小负载电阻RL.min。CAN驱动器PCA82C250提供的负载驱动能力为RL.min=45.从图8-8中，可以得到用于计算最大节点数的如下关系式（假设总线电阻RW为0，此时为最坏情况）:,上一页,返回,（8-6）,第五节 总线终端及网络拓扑结构,一、分离终端 这是一

19、种不用改变终端电缆DC特性而能增强EMC性能的终端配制方法。如图8-9所示，该方案一般是将单个终端电阻分成两个阻值相等的电阻。这种方法的特点是可以在两个分离终端的中间抽头上得到所谓的共模信号。理想情况下共模信号就是DC电压信号，并可以通过一个10nF或100nF的电容将中间抽头接地。当然，电容应该连接到真正的低电平上。,下一页,返回,第五节 总线终端及网络拓扑结构,二、多终端 这种接法可以在上面提到的分离终端接法组合在一起应用，所形成的网络拓扑将不同于总线结构。在某些应用中，需要采用不同于总线结构的拓扑结构。如图8-10所示，具有3个分支的星型拓扑结构就是这种情况。为了适应这种拓扑结构，可以考

20、虑采用多终端接法。这种接法一般要求总的终端电阻被分成两个以上的电阻，但总的等效终端电阻不变。以具有3个分支的星形拓扑结构为例，可以将每个分支都是为一个终端，其终端电阻为总的终端电阻的3倍。采用这种接法，总的等效终端电阻必须与总线驱动器的输出驱动能力相匹配。,上一页,下一页,返回,第五节 总线终端及网络拓扑结构,三、单终端 在某些情况下，仅仅只有一个终端电阻位于主节点中。从CAN位定时要求方面来考虑，如果系统配置提供了足够的安全余地，则这种接法也是允许的。但根据经验，采用单终端接法的网络总线长度将小于正常终端接法总线长度的50%。 四、非匹配终端 这种接法是有意使终端电阻与线路的特性阻抗不匹配。

21、该接法可减少对线路双绞的要求，从而在同等配置下增加驱动能力或降低功耗。实质上，这种接法的终端电阻阻值高于电缆的特性阻抗值。从CAN位定时要求方面来考虑，如果系统配置提供了足够的安全余地，那么也允许采用这种接法。采用这种接法与采用标准终端接法相比，位速率或总线长度将会急剧地降低。主要是由于当终端电阻增大时，相应的总线延时将会急剧地增加。,上一页,下一页,返回,第五节 总线终端及网络拓扑结构,五、非终端支线电缆长度 CAN总线的基本拓扑结构被近似看做总线结构。但在某些情况下，可能需要不同于这种拓扑的网络结构，如临时连上总线的诊断设备。同时也经常有某些总线节点，通过非终端的支线电缆连上总线。但接有某些非终端的支线电缆时，在总线上将会产生反射作用。由于网络提供了某种可靠性，如驱动器的滞后特性和CAN协议的重同步规则，反射不一定就会产生干扰。反射波一旦达到总线终端就会消失。一定总线和支线长度下，反射是否能容忍，实际上取决于位定时参数。,上一页,下一页,返回,第五节 总线终端及网络拓扑结构,一般情况下，建议能为支线和所谓的累积支线长度指定一个上限。累积支线长度是所有支线电缆长度之和。下面的关系式可用于支线电缆长度的粗略计算： 式中：tPROPSEG位周期中传输段长度，也就是时间段1（TSEGI）的长度减去重同步跳转宽度（SJW）； tp