惡劣電磁環境中的CAN總線接口電路設計

摘要：CAN總線已經形成國際標準(ISO11898)，并已成為工業數據通信的主流技術之一。本文介紹了一種應對惡劣電磁環境的CAN接口電路。首先對接口電路總體框圖進行介紹，然后著重對隔離部分、CAN總線收發器部分及外圍電路元器件選擇進行了詳細說明，最后，對設計的實驗測試情況進行了描述。
關鍵詞：CAN總線；隔離設計；光耦；干擾

引言
CAN總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信同絡，以其裔性能和高可靠性在自動控制領域得到了廣泛的應用。CAN總線最初是為汽車應用開發的，規定了一種2線串行通信協議，支持高達1 Mbps的數據速率、多達30個節點和40 m的最大電纜長度。目前CAN總線主要用于汽車自動化領域，在工業過程控制領域也得到了廣泛的應用。
工業應用環境中存在著許多瞬變脈沖，這些瞬變脈沖會影響到數據的傳輸，甚至傷害互連的設備。為了能夠在高速現場總線通信時實現無錯誤的數據傳輸，工業系統設計工程師必須要對這些干擾進行處理，通常會使用具有絕緣隔離功能的光電耦合器來維持數據的完整性，并保護互連設備。對于應用于重型卡車、大型客車、油罐車等更為惡劣電磁環境中的車身總線產品，對CAN總線抗干擾能力有更嚴格的要求，通常需要CAN總線電源部分也實現物理隔離。文中推薦了一組電源隔離和光耦隔離芯片IB0505LT-W75和ACSL-6210，并提供了一種CAN總線收發器和外圍器件設計參考電路。

1 CAN總線接口電路總體設計
CAN總線接口電路主要包含如下部分：控制器部分、收發器部分、隔離部分、外圍電路部分及供電電源。CAN總線通信的核心芯片是CAN總線控制器，CAN總線的通信協議主要是由它完成的，它可以實現物理層和數據鏈路層的所有功能。CAN總線控制器有許多芯片結構，獨立芯片的例如Philips公司的SJA1000，Siemens公司的82C900等，還有和微處理器集成在一起的嵌入型結構。本設計中根據智能化程度高、可靠性高，抗干擾能力強、成本低等要求，采用ST公司的STM32F103系列單片機內嵌CAN總線控制器方案。
CAN總線收發器芯片使用TI公司的汽車級收發器SN65HVDA541一Q1，芯片設計遵循CAN總線國際標準ISO 11898—1／2，通信支持SAEJ1939 NMEA 2000標準的CAN總線數據接口，最大傳輸速率為1 Mbps，采用5 V主電源供電，工作溫度為-40～125℃。

隔離設計部分和外圍電路部分對電路穩定性和抗干擾能力有較大的影響，本文將著重討論。CAN總線接口電路總體框圖如圖1所示。

2 電路隔離設計
電路隔離設計包含兩部分：一是CAN總線通信總線隔離設計；二是CAN總線收發器及外圍電路供電電源隔離設計。
CAN總線隔離采用通用的光耦隔離方式，光耦隔離的原理就是利用半導體光敏感器件和發光二極管組成隔離電路。輸入的電信號驅動發光二極管，使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，從而完成電一光一電的兩次轉換，實現電信號的傳送。由于光耦合器輸入／輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。另外，光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。因此，它在長線信息傳輸中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。