? 引?? 言
?????? CAN(Controller Area Network)總線(xiàn)屬于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的范疇，它是德國(guó)Bosch公司在20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。自Bosch公司推出CAN總線(xiàn)至今，CAN總線(xiàn)以其系統(tǒng)的實(shí)用性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性而倍受青睞，并獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。CAN總線(xiàn)是目前唯一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)，采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，可滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(傳輸率為5kb／s)，通訊速率最高可達(dá)l Mb／s(傳輸距離為40m)；節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)，傳輸介質(zhì)為雙絞線(xiàn)或光纖，報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu),帶有CRC校驗(yàn)以及其他檢錯(cuò)措施,使得數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低, 可靠性極高。CAN總線(xiàn)以其卓越的特性，低廉的價(jià)格，極高的可靠性和靈活的結(jié)構(gòu)，已被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一。
正由于CAN總線(xiàn)具有諸多其他總線(xiàn)無(wú)法比擬的特性，所以CAN在許多場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。尤其是在一些強(qiáng)干擾的惡劣環(huán)境下，比如工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，更是有著重要的應(yīng)用。因此在某些應(yīng)用領(lǐng)域，由于現(xiàn)場(chǎng)情況十分復(fù)雜，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在很高的共模電壓。雖然CAN接口采用的是差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾的能力，但當(dāng)共模電壓超過(guò)CAN驅(qū)動(dòng)器的極限接收電壓時(shí)，CAN驅(qū)動(dòng)器就無(wú)法正常工作了，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤?a href="http://ttokpm.com/v/tag/137/" target="_blank">芯片和儀器設(shè)備。因此，在強(qiáng)干擾環(huán)境中，或是高的性能要求下，就必須對(duì)CAN總線(xiàn)各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)實(shí)行電氣隔離。
?????? 傳統(tǒng)的CAN總線(xiàn)隔離方法是光耦合器技術(shù)，使用光束來(lái)隔離和保護(hù)檢測(cè)電路以及在高壓和低壓電氣環(huán)境之間提供一個(gè)安全接口。目前一般使用6N137光電隔離器件，以Toshiba公司的6N137為例，該器件工作電壓為5V，最高速率10Mbps，工作溫度一般為0℃到70℃，隔離電壓2500Vrms，并且以DIP8型封裝，每個(gè)芯片僅提供一個(gè)隔離通道。這些性能已經(jīng)限制了6N137在更高要求的環(huán)境中應(yīng)用。因此，ADI公司推出的新型雙通道數(shù)字隔離器ADUM1201以其諸多優(yōu)于光電隔離器件的性能優(yōu)點(diǎn)，在CAN總線(xiàn)以及其他高要求情況下有著廣泛的應(yīng)用前景。
?????? ADUM1201
?????? ADUM1201基于ADI獲獎(jiǎng)的iCoupler數(shù)字隔離器采用平面磁場(chǎng)專(zhuān)利隔離技術(shù)。iCoupler技術(shù)是一項(xiàng)專(zhuān)利隔離技術(shù)，它是基于芯片尺寸的變壓器，而不是基于光電耦合器所采用的LED與光電二極管的組合。iCoupler技術(shù)由于取消了光電耦合器中的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程，并且采用了iCoupler變壓器專(zhuān)利技術(shù)集成變壓器驅(qū)動(dòng)和接收電路，從而實(shí)現(xiàn)了光電隔離器無(wú)法比擬的性能優(yōu)勢(shì)。由于使用晶片級(jí)制造工藝直接在芯片上制造iCouple變壓器，所以iCoupler通道比光電耦合器有效地實(shí)現(xiàn)通道之間的集成以及比較容易地實(shí)現(xiàn)其它半導(dǎo)體功能。
?????? 由于沒(méi)有光電耦合器中影響效率的光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，所以iCoupler數(shù)字隔離器不需要驅(qū)動(dòng)LED的外部電路，其功耗僅為光電耦合器的1/10到1/50。這種新的基于電磁的隔離方法，在抗高溫影響方面遠(yuǎn)優(yōu)于光耦合器，iCoupler數(shù)字隔離器在125℃高溫環(huán)境下性能和可靠性并不下降，因此可以采用低成本，小體積的SOIC封裝，這樣不但降低了成本還減小了芯片的體積。另外，iCoupler數(shù)字隔離器的隔離通道具有比光電耦合器更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、時(shí)序精度和瞬態(tài)共模抑制能力。其額定隔離電壓是高隔離度光電耦合器的2倍，并且數(shù)據(jù)傳輸速率和時(shí)序精度是其10倍。此外，與光電耦合器不同的是，多通道iCoupler數(shù)字隔離器能在同一芯片內(nèi)提供正向和反向通信通道，這樣就可以使得信號(hào)的傳輸方向更加靈活，簡(jiǎn)化了芯片間的硬件連接線(xiàn)路。
?????? 由于基于iCoupler技術(shù)，所以ADUM1201具有諸多優(yōu)于光電隔離器的優(yōu)點(diǎn)：
?????? ●速度更高??? 最高速率可以達(dá)到25Mbps。
?????? ●功耗更低?? 功耗低于同數(shù)據(jù)傳輸率時(shí)傳統(tǒng)光電隔離器的1/10，最小工作電流0.8mA。
●性能更高??? 時(shí)序精度，瞬態(tài)共模抑制力，通道間匹配程度均優(yōu)于傳統(tǒng)光電隔離器。
?????? ●體積更小?? 集成度更高，印制電路板（PCB）面積為傳統(tǒng)光電隔離器的40％。
?????? ●價(jià)格更便宜? 每通道成本為傳統(tǒng)光電隔離器的40％。
?????? ●應(yīng)用更靈活? 與傳統(tǒng)光電耦合器不同的是，多通道iCoupler數(shù)字隔離器能在同一芯片內(nèi)提供正向和反向信通通道。
?????? ADUM1201所隔離的兩端有各自的電源和參考地，電源電壓范圍在2.7V到5.5V之間，這樣可以實(shí)現(xiàn)低電壓供電，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。電源和參考地之間需要接入0.01μF到0
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.1μF電容，以濾除高頻干擾，電容和電源之間的距離應(yīng)該在20mm以?xún)?nèi)，這樣可以達(dá)到更好的濾波效果。由于兩個(gè)隔離通道高度匹配，通道間串?dāng)_很小，并且采用兩通道輸入輸出反向設(shè)計(jì)，非常適合CAN總線(xiàn)雙向收發(fā)的特性，大大簡(jiǎn)化可隔離器與所隔離兩端的硬件連接。需要注意的是GND1與GND2是兩個(gè)不同的參考地，否則將達(dá)不到隔離的效果。
?????? 另外需要注意的是ADUM1201正常工作時(shí)，兩端的供電源需要同時(shí)上電才能保證ADUM1201兩通道都能正常工作，如果有一個(gè)沒(méi)有上電就能導(dǎo)致整個(gè)芯片無(wú)法正常工作。
?????? ADUM1201在CAN總線(xiàn)通信系統(tǒng)中應(yīng)用
?????? 在CAN總線(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)中，雙通道數(shù)字式隔離器ADUM1201用來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN控制器和CAN驅(qū)動(dòng)器之間的電氣隔離，以到達(dá)更好的抗干擾性能。一般放在CAN控制器與CAN驅(qū)動(dòng)器之間，也有的CAN控制器被集成在微控制器內(nèi)部，那么用ADUM1201實(shí)現(xiàn)微控制器和CAN驅(qū)動(dòng)器的隔離即可。
?????? 我們用CAN總線(xiàn)組成了一個(gè)傳送高速公路能見(jiàn)度預(yù)警信號(hào)的遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)。其中利用ADUM1201實(shí)現(xiàn)CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離。CAN總線(xiàn)的具體硬件電路圖如圖1所示，由圖可見(jiàn)，整個(gè)硬件電路由微控制器，隔離芯片，CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)芯片三部分組成。微控制器選用微芯公司新款集成CAN總線(xiàn)控制器的PIC18LF458芯片，它是8位COMS單片機(jī)，內(nèi)部采用哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，使得全部指令單字節(jié)、單周期化，有利于提高CPU執(zhí)行指令的速度，從而提高單片機(jī)的運(yùn)行速度。同時(shí)，最低2V供電電壓，大大降低系統(tǒng)的功耗，以上特點(diǎn)不光滿(mǎn)足了系統(tǒng)需要快速響應(yīng)的實(shí)時(shí)性要求，而且滿(mǎn)足了系統(tǒng)需要全天候長(zhǎng)時(shí)間工作的低功耗要求。CAN驅(qū)動(dòng)器我們選用微芯公司的CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)芯片MCP2551，它完全兼容ISO－11898標(biāo)準(zhǔn)，最高速率可達(dá)1Mbps，提供了比82C250更好電磁輻射和抗電磁干擾能力性能，為了更好的確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，外加電阻R2和R3起限流作用，防止MCP2551受過(guò)流沖擊，電容C3和C4為小電容以濾除總線(xiàn)上的高頻干擾和防止電磁輻射，D1和D2為防雷擊管，用來(lái)防止總線(xiàn)上的瞬變干擾。
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????????????????????????????????????????? 圖1? 單片機(jī)與CAN總線(xiàn)的硬件連接
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隔離芯片ADUM1201處于系統(tǒng)的中間，用來(lái)隔離各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，它比傳統(tǒng)的光電隔離具有更好的性能，ADUM1201消除了傳統(tǒng)光電隔離器不確定的傳輸速率，非線(xiàn)性的傳輸函數(shù)，以及溫度和壽命對(duì)器件的影響，不需要其他的驅(qū)動(dòng)和分立元件，提供了更見(jiàn)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化性能，而且在相同的信號(hào)傳輸速率下功耗只有光電隔離器的1/10到1/6。由圖1可見(jiàn)，ADUM1201以單一芯片實(shí)現(xiàn)了CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離，而且ADUM1201采用雙轉(zhuǎn)化通道，兩通道方向相反的特殊結(jié)構(gòu)，非常適合于CAN總線(xiàn)信號(hào)的傳輸，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，同時(shí)，由一個(gè)隔離芯片代替以往的兩個(gè)，大大增加了通道間的匹配程度，使系統(tǒng)獲得更好的隔離性能。
?????? 結(jié)?? 語(yǔ)
?????? 本文介紹雙通道數(shù)字式磁隔離器ADUM1201在CAN總線(xiàn)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，由于ADUM1201的優(yōu)良特性，用ADUM1201代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電隔離器件，降低了系統(tǒng)功耗，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的性能。為CAN總線(xiàn)隔離的實(shí)現(xiàn)提供了一種很好的解決方案。
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