恶劣电磁环境中的CAN总线接口电路设计

摘要：CAN总线已经形成国际标准(ISO11898)，并已成为工业数据通信的主流技术之一。本文介绍了一种应对恶劣电磁环境的CAN接口电路。首先对接口电路总体框图进行介绍，然后着重对隔离部分、CAN总线收发器部分及外围电路元器件选择进行了详细说明，最后，对设计的实验测试情况进行了描述。
关键词：CAN总线；隔离设计；光耦；干扰

引言
    CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信同络，以其裔性能和高可靠性在自动控制领域得到了广泛的应用。CAN总线最初是为汽车应用开发的，规定了一种2线串行通信协议，支持高达1 Mbps的数据速率、多达30个节点和40 m的最大电缆长度。目前CAN总线主要用于汽车自动化领域，在工业过程控制领域也得到了广泛的应用。
    工业应用环境中存在着许多瞬变脉冲，这些瞬变脉冲会影响到数据的传输，甚至伤害互连的设备。为了能够在高速现场总线通信时实现无错误的数据传输，工业系统设计工程师必须要对这些干扰进行处理，通常会使用具有绝缘隔离功能的光电耦合器来维持数据的完整性，并保护互连设备。对于应用于重型卡车、大型客车、油罐车等更为恶劣电磁环境中的车身总线产品，对CAN总线抗干扰能力有更严格的要求，通常需要CAN总线电源部分也实现物理隔离。文中推荐了一组电源隔离和光耦隔离芯片IB0505LT-W75和ACSL-6210，并提供了一种CAN总线收发器和外围器件设计参考电路。

1 CAN总线接口电路总体设计
    CAN总线接口电路主要包含如下部分：控制器部分、收发器部分、隔离部分、外围电路部分及供电电源。CAN总线通信的核心芯片是CAN总线控制器，CAN总线的通信协议主要是由它完成的，它可以实现物理层和数据链路层的所有功能。CAN总线控制器有许多芯片结构，独立芯片的例如Philips公司的SJA1000，Siemens公司的82C900等，还有和微处理器集成在一起的嵌入型结构。本设计中根据智能化程度高、可靠性高，抗干扰能力强、成本低等要求，采用ST公司的STM32F103系列单片机内嵌CAN总线控制器方案。
    CAN总线收发器芯片使用TI公司的汽车级收发器SN65HVDA541一Q1，芯片设计遵循CAN总线国际标准ISO 11898—1／2，通信支持SAEJ1939 NMEA 2000标准的CAN总线数据接口，最大传输速率为1 Mbps，采用5 V主电源供电，工作温度为-40～125℃。

    隔离设计部分和外围电路部分对电路稳定性和抗干扰能力有较大的影响，本文将着重讨论。CAN总线接口电路总体框图如图1所示。

2 电路隔离设计
    电路隔离设计包含两部分：一是CAN总线通信总线隔离设计；二是CAN总线收发器及外围电路供电电源隔离设计。
    CAN总线隔离采用通用的光耦隔离方式，光耦隔离的原理就是利用半导体光敏感器件和发光二极管组成隔离电路。输入的电信号驱动发光二极管，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，从而完成电一光一电的两次转换，实现电信号的传送。由于光耦合器输入／输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。另外，光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。因此，它在长线信息传输中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。

    具体设计中，为减少光耦隔离带来的CAN总线有效回路信号的传输延迟时间，选用安捷伦高速光耦隔离芯片ACSL-6210，该芯片传输延迟时间短，高电平典型延迟值仅为52 ns，低电平典型延迟值为44 ns，已接近TTL电路传输延迟时间的水平，完全满足CAN总线1 Mbps的通信速率要求。根据隔离要求可以设计出如图2所示的参考电路。

    图2中，光耦芯片中有两路供电，Vdd3．3V为线路板内部电源，负责光耦与单片机CAN总线控制器通信部分供电。Vcc3．3V为隔离后的3．3 V电源，负责光耦与CAN总线收发器通信部分供电。光电隔离器件两侧所用电源Vdd3．3V与Vcc3．3V必须完全隔离，否则，光电隔离将失去应有的作用。隔离电源Vcc3．3V可通过隔离电源芯片输出5 V后，再降压实现。电路中的三极管V1与电阻R2、R3、R6用来控制单片机数据端发送和隔离后CAN总线数据端发送之间的数据传送：当MCU->CAN为低电平时，三极管V1导通，光耦中ANODE2控制左侧发光管发光，将光耦芯片第6引脚VO2拉至低电平；当MCU->CAN为高电平时，三极管V1截止，光耦芯片第6引脚通过R6上拉至高电平，从而实现了数据由MCU->CAN至光耦芯片第6脚的同步传送。电路中的三极管V2和电阻R1、R4、R5用来实现CAN总线数据端接收到单片机数据端接收的传送，控制原理同前所述。在该电路中，电阻R3和R4是控制光耦芯片中发光二极管工作电流的重要器件，将直接影响到传输成功率，发光二极管导通时工作在7～15 mA区域，推荐工作在10 mA左右。图3为电源隔离电路，图中供电电压为3．3 V，电阻R3和R4参考首选350 Ω，发光二极管工作电流为9．4 mA(VDD1／R3=3．3 V／350 Ω=0．009 4 A)。
    电源隔离芯片选用广州金升阳科技有限公司的IB_LT-1W系列产品，该系列产品是专门针对线路板上分布式电源系统中需要产生一组隔离电源的应用场合而设计的。该隔离芯片是1 W、定电压输入、隔离稳定单电压输出、SMD封装的DC-DC模块电源。该产品适应于下述情况：①输入电源的电压比较稳定(电压变化≤±5％)；②输入／输出之间要求隔离(隔离电压≤1 000 V)；③对输出电压稳定度和纹波噪声要求高。

    选用隔离电源芯片的型号为IB0505LT—W75，输入是由线路板内部DC-DC电源产生的Vdd5V电压，输出稳定的隔离Vcc5V，为CAN总线收发器提供电源。产生隔离Vcc5V的具体电路见图3，图中L1和L2为小磁珠，可进一步降低系统干扰。隔离Vcc5V产生后，可以通过LDO降压为前述光耦芯片提供的隔离部分电源Vcc3．3V。

3 CAN总线收发器和外围电路设计
    CAN总线收发器SN65HVDA541-Q1是一款抗干扰能力较强的芯片，该芯片内置过压保护，CANH、CANL引脚耐压值范围-27～40 V，抗瞬态脉冲电压范围为-200～200 V。

     为了保证总线的可靠传输，外围电路设计需要考虑EMC及抗干扰问题。推荐参考电路如图4所示，电路中外围元器件参数选用参见表1。

    电路设计中，PCB应预留空间和焊盘，用于焊接终端电阻R1、R2，以及电容C4和共模电感L，当电磁环境恶劣时，必须焊接共模电感L；收发器应该尽可能地靠近PCB边缘的接插件，收发器与接插件之间不允许有其他集成电路芯片；接插件和收发器之间的CAN_H／CAN_L电路应该尽可能地紧凑；CAN_H／CAN_L和Tx、Rx电路应有防护措施，保证线间距或布置地防护线；产品内部CAN_H和CAN_L的布线总长度不超过10cm；在发送器芯片下和焊接面上，应布置地平面；在布线时，将C2、C3、C4及ESD的地直接接到地平面，不要与C1的接地线共线以后再接入地平面；电路中所有的地应与外部车身总线的地相连。

4 实验测试
    本文中设计的电路已经成功运用于集瑞重卡远程监控终端产品中，随产品一起通过了CAN信号线传导干扰测试，达到CISPR25—2002零部件传导骚扰限值等级三标准。
    同时，还进行了如下的容错性能测试：
    ①地电位偏移：在标称工作电压下，地电位偏移不超过士2 V时，产品能够正常收发报文；
    ②产品掉电：掉电后不影响其他车身产品之间的正常通信，产品在供电恢复后trsm(trsm=300 ms)时间内能恢复正常通信；
    ③CAN_H和CAN_L(或两者之一)在某处断开：对产品其他部分不造成任何损害，在断开点同侧的其他总线产品能够通信；
    ④CAN_H和CAN_L(或两者一)对地短路：产品通信会被中止，但是不对产品造成任何损害，在故障恢复以后，通信能够在trsm(trsm=300 ms)时间内恢复正常；
    ⑤CAN_H和CAN_L(或两者之一)对电源短路：产品通信会被中止，但是不对产品造成任何损害，在故障恢复以后，通信能够在trsm(trsm= 300 ms)时间内恢复正常；
    ⑥CAN_H对CAN_L短路：通信会被中止，但是不对产品造成任何损害，在故障恢复以后，通信能够在trsm(trsm=300 ms)时间内恢复正常。

结语
    本文详细介绍了一种适应恶劣环境的CAN总线接口电路，对电源隔离部分、信号线光耦隔离部分、CAN总线收发器及外围元器件选择进行了深入的分析和说明。本接口电路已经在集瑞重卡远程监控终端上成功使用，通过了第三方公司的测试。测试结果表明，该电路抗干扰能力强，工作稳定性高，使用效果良好，可以推广使用。