CAN總線遠(yuǎn)程傳輸可靠性的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)

O 引言
現(xiàn)場(chǎng)總線能同時(shí)滿足過(guò)程控制和制造業(yè)自動(dòng)化的需求，成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域最為活躍的技術(shù)之一。CAN(Controller Area Network，即控制器局域網(wǎng))現(xiàn)場(chǎng)總線以其多主方式，報(bào)文自動(dòng)過(guò)濾重發(fā)、極低的誤碼率和高通訊速率等特點(diǎn)，在各種低成本、高抗干擾的多機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
CAN總線屬于總線式帶同步位的串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于采用了許多新技術(shù)以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，CAN總線在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信上具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)lOkm(通信速率5Kbps以下)，通信速率最高可達(dá)lMbps(通信距離最長(zhǎng)40m)。但在實(shí)際的遠(yuǎn)程傳輸過(guò)程中，通信數(shù)據(jù)受許多因素的影響，致使傳輸的波形失真，達(dá)不到預(yù)期的效果。本文針對(duì)CAN總線遠(yuǎn)程傳輸的可靠性進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。

1 遠(yuǎn)程CAN總線傳輸可靠性的主要影響因素
(1)工作環(huán)境電磁干擾的影響。
(2)傳輸介質(zhì)分布電容和電阻的影響。
(3)遠(yuǎn)近端阻抗不匹配的影響。
(4)接收同步位端的相位變化和幅值變化的影響。
(5)傳送波特率位時(shí)鐘設(shè)計(jì)的影響。
(6)沒(méi)有發(fā)送和接收幀的節(jié)點(diǎn)之問(wèn)高阻狀態(tài)性的漏電對(duì)CAN總線的影響。
(7)對(duì)總線短路和斷路監(jiān)測(cè)處理的影響。

2 遠(yuǎn)程CAN總線傳輸可靠性的設(shè)計(jì)方法
系統(tǒng)運(yùn)行在復(fù)雜的電磁空問(wèn)里，有外界的各種電磁場(chǎng)變化，也有系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)元器件之間的電磁干擾。尤其工作現(xiàn)場(chǎng)的電磁場(chǎng)環(huán)境是最容易干擾系統(tǒng)的可靠性。因此系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程采用屏蔽雙絞線，它綜合了屏蔽線和雙絞線兩者的優(yōu)點(diǎn)，是較理想的信號(hào)傳輸線，即可以抑制靜電干擾，也可以抑制電磁感應(yīng)干擾，從而提高系統(tǒng)的可靠性。
元器件是構(gòu)成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，選擇集成化程度高，抗干擾能力強(qiáng)，功耗又小的電子元器件尤為重要。選擇合適的MCU是CAN總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。在綜合比較了當(dāng)前業(yè)界流行的幾款MCU最終選擇了Silicon Laboratories公司的C8051F040這款8位單片機(jī)作為CAN總線控制系統(tǒng)的控制核心。
C8051F040(以下簡(jiǎn)稱F040)單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與MCS一5l完全兼容的指令內(nèi)核。由于采用了流水線處理技術(shù)，大大提高了指令執(zhí)行效率。F040還采用了Flash ROM技術(shù)，集成了JTAG，實(shí)現(xiàn)了真正的在線編程和片上調(diào)試。它比SJAl000等片外CAN總線控制器具有更好的可靠性和集成度高的特點(diǎn)。F040的CAN控制器完全硬件化，解決了CPU與CAN,總線控制器之間的競(jìng)爭(zhēng)矛盾。
在主機(jī)CAN節(jié)點(diǎn)中，如圖1所示，選擇Silicon Laboratories公司的USB轉(zhuǎn)UART橋接芯片CP2101，內(nèi)部自帶512B收發(fā)緩沖器，進(jìn)一步從芯片本身上解決了數(shù)據(jù)沖突的問(wèn)題。它還有300bps至921．6Kbps的波特率變化范圍，滿足高速通訊要求，外圍電路十分簡(jiǎn)單；另外，CP2101還集成了5V轉(zhuǎn)3V電壓調(diào)節(jié)器，可以由USB總線來(lái)對(duì)整個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)供電，這樣整個(gè)電路就只需一根USB連線即可實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)通訊，無(wú)需額外電源，即插即用，十分方便。
圖1主機(jī)CAN節(jié)點(diǎn)的硬件連接圖(參見(jiàn)下頁(yè))

ADuMl20l是ADI公司生產(chǎn)的隔離器，采用平面磁場(chǎng)專利隔離技術(shù)，取消了光電耦合器中的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。因此ADuMl201具有優(yōu)于光電隔離器的優(yōu)點(diǎn)：速度更高(最高速率達(dá)到25 Mbps)、功耗更低(最小工作電流為0．8mA)、性能更高、體積更小、價(jià)格更便宜、應(yīng)用更靈活(多通道數(shù)字隔離器能在同一芯片內(nèi)提供發(fā)送和接收通道)。選擇ADuMl201用來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN控制器和CAN驅(qū)動(dòng)器之問(wèn)的電氣隔離，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。
為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通訊可靠性，選擇TI公司生產(chǎn)的芯片SN65HVD251作為CAN總線收發(fā)器。SN65HVD251能以高達(dá)1Mbps的速度提供到總線的差動(dòng)傳輸功能，以及到CAN控制器的差動(dòng)接收功能。具有差分收發(fā)能力、高抗電磁干擾、超小封裝、低功耗性能。與F040配合使用，可使外圍電路更加簡(jiǎn)潔，如圖2所示。