汽車輔助系統(tǒng)CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

　　CAN 總線接口電路主要包括：單片機(jī)、控制器接口、總線收發(fā)器和看門狗電路等。采用Philips公司生產(chǎn)的SJA1000控制器和與其配套的 82C250CAN收發(fā)器。按照CAN總線物理層協(xié)議選擇總線介質(zhì)，設(shè)計(jì)布線方案，連接成CAN網(wǎng)絡(luò)。雙絞屏蔽線可設(shè)兩套，在兩套介質(zhì)上同時(shí)進(jìn)行信息傳輸，接收方只用一個(gè)介質(zhì)。在冗余和非冗余段的連接臨界點(diǎn)處進(jìn)行總線切換。

　　硬件電路的設(shè)計(jì)主要是CAN 通信控制器與微處理器之間和CAN總線收發(fā)器與物理總線之間的接口電路的設(shè)計(jì)。CAN通信控制器是CAN總線接口電路的核心，主要完成CAN的通信協(xié)議，而CAN總線收發(fā)器的主要功能是增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線，降低射頻干擾（RFI），實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)等?？撮T狗電路主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的監(jiān)控和復(fù)位作用。

　　目前廣泛流行的CAN總線器件有兩大類：一類是獨(dú)立的CAN控制器，如82C200、SJA1000及 Intel82526/82527等，另一類是帶有在片CAN的微控制器，如P8XC582及16位微控制器87C196CA/CB等。本課題選取 PHILIPS公司的SJA1000 CAN控制器以及82C250總線收發(fā)器，主要是考慮到SJA1000支持CAN 2.0A/B規(guī)約。而82C250可以支持110個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，并且國內(nèi)市場上PHILIPS的產(chǎn)品型號(hào)比較多，購買比較方便。

　　單片機(jī)最小系統(tǒng)

　　本設(shè)計(jì)中，應(yīng)用到單片機(jī)為ATMEL公司51系列的89C51，該型號(hào)的單片機(jī)應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，市場上價(jià)格便宜，而且在學(xué)習(xí)中所學(xué)到的多為該型號(hào)，在本次設(shè)計(jì)中是首選的芯片。89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制部分，但在本設(shè)計(jì)中不是重點(diǎn)講解內(nèi)容，其相關(guān)技術(shù)應(yīng)用和引腳特點(diǎn)功能等，可參照其他相關(guān)資料。設(shè)計(jì)的電路原理方框大致如下圖所示。設(shè)計(jì)中為避免出現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)的沖突，對(duì)單片機(jī)的外接晶振引腳XTAL1、XTAL2不接上外圍電路，而是通過控制器SJA1000的時(shí)鐘信號(hào)腳反饋給單片機(jī)。同時(shí)，對(duì)單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)處理，RST引腳接上X5045P的RST腳，復(fù)位信號(hào)可由X5045P輸出，在X5045P芯片看門狗外圍電路的作用下，減少了以往由電阻、電容組成的簡易復(fù)位電路造成的不精確、延時(shí)高等不良作用，使單片機(jī)回復(fù)到初始狀態(tài)，完成復(fù)位操作。由于在該電路中要用到單片機(jī)的存儲(chǔ)作用，存儲(chǔ)由SJA1000傳輸過來的處理數(shù)據(jù)。因此，腳/EA接上高電平，選用片內(nèi)ROM。對(duì)ALE腳，也即地址鎖存有效信號(hào)除數(shù)端是和控制器 SJA1000的ALE腳接通。

　　圖2-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

　　基于SJA1000的控制電路設(shè)計(jì)

　　控制器SJA1000作為本接口電路中的控制部分，應(yīng)用本設(shè)計(jì)中，對(duì)于SJA1000和單片機(jī)的連接，引腳AD0~AD7是和89C51的輸出輸入腳 P0.0～P0.7相接；SJA1000的片選信號(hào)腳/CS必須由微控制器的P2.7口控制否則這個(gè)片選輸入必須接到VSS 也可以通過地址解碼控制例如當(dāng)?shù)刂?數(shù)據(jù)總線用于其他外圍器件，ALE對(duì)應(yīng)ALE，讀/寫輸入腳/WR、/RD，/INT和單片機(jī)的/INT0連接，由于在該系統(tǒng)中要用到相同的時(shí)鐘頻率，所以我們要時(shí)鐘信號(hào)引腳CLKOUT和單片機(jī)的XTAL1腳相連，達(dá)到頻率一致的目的；而在復(fù)位信號(hào)的處理，可以在看門狗外圍電路的RST信號(hào)輸出后再通過和非門電路的相連，很好的實(shí)現(xiàn)了電路的復(fù)位作用。而對(duì)于控制器的收發(fā)引腳TX0，TX1與RX0，RX1，在本系統(tǒng)中 TX0、RX0可和收發(fā)器82C250的TXD、RXD接通。同時(shí)，在和CPU接口中SJA1000 支持對(duì)兩個(gè)著名的微型控制器系列的直接連接80C51 、68xx 。通過SJA1000 的MODE 引腳可選擇接口模式Intel 模式 MODE 高；Motorola 模式 MODE 低。在Intel 模式和Motorola 模式里地址/數(shù)據(jù)總線和讀/寫控制信號(hào)的連接。本設(shè)計(jì)中，正是使用Intel模式。對(duì)SJA1000的Vdd1～Vdd3電源輸入腳，外接上驅(qū)動(dòng)+5V電壓；而Vss1～Vss3輸出接地。設(shè)計(jì)中，對(duì)SJA1000提供16Mkz的晶振。

　　圖2-4 SJA1000控制電路

　　基于82C250收發(fā)電路設(shè)計(jì)

　　82C250是CAN控制器與物理總線間的接口，可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收能力，與IS011898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，并具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾、保護(hù)總線的能力。設(shè)計(jì)中，收發(fā)器的接受、發(fā)送腳原理上要和SJA1000的發(fā)送、接受腳相連接。但這樣一來，兩者的電氣不一致，造成電氣隔離，給通信帶來麻煩。為此，在它們之間接上高速光耦合器6N137，避開了電氣隔離，更好的實(shí)現(xiàn)通信聯(lián)系。82C250的TXD、RXT就對(duì)應(yīng)接上6N137的輸出腳OUT和輸入腳 IN；腳Rs作為斜率控制電阻輸入端，電阻的大小可以割據(jù)總線通信速度適當(dāng)調(diào)整一般在16～140KΩ之間，設(shè)計(jì)中Rs阻值為47KΩ。在通過接一個(gè) 47K電阻分流之后，可以接地。電壓引腳Vcc，其電源電壓：4.5V〈 Vcc〈 5.5V，在設(shè)計(jì)中采用5V電壓。Vref作為基準(zhǔn)電壓輸出端，設(shè)計(jì)中可以接地。而CANH，CANL腳是信號(hào)的輸入輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)電平信號(hào)的傳送，通過它們連接上雙絞線，完成通信傳輸。

　　基于X5045P的電路設(shè)計(jì)

　　X5045P在本設(shè)計(jì)中做為復(fù)位、監(jiān)控電路使用，雖然增加了電路連接的復(fù)雜和成本，但對(duì)于電路的穩(wěn)定和可靠性有起到很大的作用，是系統(tǒng)中不可缺少的部分。對(duì)X5045的操作是通過4根口線CS、SCK、SI和SO進(jìn)行同步串行通信來完成的。SCK是外部輸入的同步時(shí)鐘信號(hào)。在對(duì)芯片定改指令或數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘前沿將SI引腳信號(hào)輸入；在讀郵數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘后沿將數(shù)據(jù)位輸出到SO引腳上。數(shù)據(jù)的輸入/輸出都是高位在先。在設(shè)計(jì)中，/CS腳和單片機(jī)P1.0、 SI、 SCK、SO、RST分別與單片機(jī)的引腳P1.0~P1.3、RST連接。對(duì)于不用到的引腳，可以直接和地相連。電路設(shè)計(jì)如下：

　　圖2-10 X5045P電路監(jiān)控、復(fù)位電路

　　電源電路設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)中，對(duì)系統(tǒng)的電源都一致采用DC+5V電壓，光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源Vcc和Vdd必須完全隔離。為此，設(shè)計(jì)電源如下所示：

　　圖2-11 電源電路

　　它由AH805升壓模塊及FP106升壓模塊組成。AH805是一種輸入1.2～3V，輸出5V的升壓模塊，在3V電池供電時(shí)可輸出100mA電流。 FP106是貼片式升壓模塊，輸入4～6V，輸出固定電壓為29±1V，輸出電流可達(dá)40mA，AH805及FP106都是一個(gè)電平控制的關(guān)閉電源控制端。兩節(jié)1.5V堿性電池輸出的3V電壓輸入AH805，AH805輸出+5V電壓，其一路作5V輸出，另一路輸入FP106使其產(chǎn)生28～30V電壓，經(jīng)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后輸出+12V電壓。從圖中可以看出，只要改變穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，即可獲得不同的輸出電壓，使用十分靈活。FP106的第⑤腳為控制電源關(guān)閉端，在關(guān)閉電源時(shí)，耗電幾乎為零，當(dāng)?shù)冖菽_加高電平2.5V時(shí)，電源導(dǎo)通；當(dāng)?shù)冖菽_加低電平0.4V時(shí)，電源被關(guān)閉?？梢杂秒娐穪砜刂苹蚴謩?dòng)控制，若不需控制時(shí)，第⑤腳與第⑧腳連接。

　　接口電路總體電路原理圖

　　在本電路原理中，控制單元以單片機(jī)AT89C51為核心，選用器件SJA1000作為CAN控制器，并選用芯片82C250和6N137、X5045P作為CAN控制器接口和光耦合隔離、復(fù)位電路。在實(shí)際中，應(yīng)注意以下幾個(gè)問題

　　1. SJA1000的中斷請(qǐng)求信號(hào)INT在中斷允許且有中斷發(fā)生時(shí)，由高電來此跳變到低電平，所以INT和AT0C51的INT0直接相連。片選信號(hào)CS和單片機(jī)引腳P2.7相連，當(dāng)CS接到低電平時(shí)，SJA1000被選中，CPU可對(duì)SJA1000進(jìn)行讀/寫操作。為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力。 SJA1000的TX1腳懸空，RX1引腳的電位必須維持在約0.5VCC上，否則，將不能形成CAN協(xié)議要求的電平邏輯。

　　2. SJA1000的TxD和RxD并不是直接與82C250的TxD和RxD相連而是通過高速光耦合6N137后與82C250相連，這樣就可以很好的實(shí)現(xiàn)了總線上個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的電氣隔離，不過應(yīng)該特別說明一點(diǎn)的是光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源Vcc和Vdd必須完全隔離，否則采用光耦也就失去了意思。電源的完全隔離可采用小功率電源隔離模塊或帶多5V隔離輸出的開關(guān)電源模塊實(shí)現(xiàn)，這些部分雖然增加了節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜，但是卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性，保護(hù) CAN控制器正常工作。

電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點(diǎn)評(píng)分析：

　　現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)日益成為國際自動(dòng)控制領(lǐng)域關(guān)注的一大焦點(diǎn)，其原因是它改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，形成了全新的網(wǎng)絡(luò)集成分布式控制系統(tǒng)。在我國，現(xiàn)場總線已經(jīng)發(fā)展到推廣應(yīng)用階段，中國已經(jīng)成為各種現(xiàn)場總線激烈爭奪的重要戰(zhàn)場。因此研究現(xiàn)場總線技術(shù)及其產(chǎn)品就顯得尤為重要。本文正是基于控制器 SJA1000和82C250收發(fā)器的基礎(chǔ)上，外接上看門狗電路芯片X5045P及高速光耦合器6N137，設(shè)計(jì)CAN總線接口電路，該電路理論上很好的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)原理要求。該設(shè)計(jì)簡單明了，在電路實(shí)現(xiàn)時(shí)，還需考慮各模塊間的接地、屏蔽等諸多問題。PCA82C250提供對(duì)物理總線的符合CAN電氣協(xié)議的差動(dòng)發(fā)送和接收功能，另外，它具有的電流限制電路，還提供了對(duì)總線的進(jìn)一步的保護(hù)功能。通過 82C250與物理總線進(jìn)行連接，可使總線支持多達(dá)110個(gè)節(jié)點(diǎn)的掛接。對(duì)于CAN控制器及帶有CAN總線接口的器件，82C250并不是必須使用的器件，因?yàn)槎鄶?shù)CAN控制器均具有配置靈活的收發(fā)接口并允許總線故障，只是驅(qū)動(dòng)能力一般只允許20～30個(gè)節(jié)點(diǎn)連接在一條總線上。