? 引?? 言
?????? CAN(Controller Area Network)總線屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是德國Bosch公司在20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。自Bosch公司推出CAN總線至今，CAN總線以其系統(tǒng)的實用性、可靠性和經(jīng)濟性而倍受青睞，并獲得了長足的進步。CAN總線是目前唯一有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線，可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)，采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，可滿足不同的實時要求，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)點數(shù)可達(dá)110個，傳輸介質(zhì)為雙絞線或光纖，報文采用短幀結(jié)構(gòu),帶有CRC校驗以及其他檢錯措施,使得數(shù)據(jù)出錯率極低, 可靠性極高。CAN總線以其卓越的特性，低廉的價格，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)場總線之一。
正由于CAN總線具有諸多其他總線無法比擬的特性，所以CAN在許多場合應(yīng)用廣泛。尤其是在一些強干擾的惡劣環(huán)境下，比如工業(yè)現(xiàn)場，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)場情況十分復(fù)雜，各個節(jié)點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CAN驅(qū)動器的極限接收電壓時，CAN驅(qū)動器就無法正常工作了，嚴(yán)重時甚至?xí)龤?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/137/" target="_blank">芯片和儀器設(shè)備。因此，在強干擾環(huán)境中，或是高的性能要求下，就必須對CAN總線各個通信節(jié)點實行電氣隔離。
?????? 傳統(tǒng)的CAN總線隔離方法是光耦合器技術(shù)，使用光束來隔離和保護檢測電路以及在高壓和低壓電氣環(huán)境之間提供一個安全接口。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，每個芯片僅提供一個隔離通道。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，在CAN總線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獲獎的iCoupler數(shù)字隔離器采用平面磁場專利隔離技術(shù)。iCoupler技術(shù)是一項專利隔離技術(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)換過程，并且采用了iCoupler變壓器專利技術(shù)集成變壓器驅(qū)動和接收電路，從而實現(xiàn)了光電隔離器無法比擬的性能優(yōu)勢。由于使用晶片級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現(xiàn)通道之間的集成以及比較容易地實現(xiàn)其它半導(dǎo)體功能。
?????? 由于沒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的傳輸方向更加靈活，簡化了芯片間的硬件連接線路。
?????? 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：
?????? ●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)傳輸率時傳統(tǒng)光電隔離器的1/10，最小工作電流0.8mA。
●性能更高??? 時序精度，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，這樣可以實現(xiàn)低電壓供電，從而進一步降低系統(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以內(nèi)，這樣可以達(dá)到更好的濾波效果。由于兩個隔離通道高度匹配，通道間串?dāng)_很小，并且采用兩通道輸入輸出反向設(shè)計，非常適合CAN總線雙向收發(fā)的特性，大大簡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，兩端的供電源需要同時上電才能保證ADUM1201兩通道都能正常工作，如果有一個沒有上電就能導(dǎo)致整個芯片無法正常工作。
?????? ADUM1201在CAN總線通信系統(tǒng)中應(yīng)用
?????? 在CAN總線通信節(jié)點中，雙通道數(shù)字式隔離器ADUM1201用來實現(xiàn)CAN控制器和CAN驅(qū)動器之間的電氣隔離，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實現(xiàn)微控制器和CAN驅(qū)動器的隔離即可。
?????? 我們用CAN總線組成了一個傳送高速公路能見度預(yù)警信號的遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)。其中利用ADUM1201實現(xiàn)CAN總線節(jié)點之間的電氣隔離。CAN總線的具體硬件電路圖如圖1所示，由圖可見，整個硬件電路由微控制器，隔離芯片，CAN總線驅(qū)動芯片三部分組成。微控制器選用微芯公司新款集成CAN總線控制器的PIC18LF458芯片，它是8位COMS單片機，內(nèi)部采用哈佛總線結(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，從而提高單片機的運行速度。同時，最低2V供電電壓，大大降低系統(tǒng)的功耗，以上特點不光滿足了系統(tǒng)需要快速響應(yīng)的實時性要求，而且滿足了系統(tǒng)需要全天候長時間工作的低功耗要求。CAN驅(qū)動器我們選用微芯公司的CAN總線驅(qū)動芯片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受過流沖擊，電容C3和C4為小電容以濾除總線上的高頻干擾和防止電磁輻射，D1和D2為防雷擊管，用來防止總線上的瞬變干擾。
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????????????????????????????????????????? 圖1? 單片機與CAN總線的硬件連接
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隔離芯片ADUM1201處于系統(tǒng)的中間，用來隔離各個傳感器節(jié)點，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，非線性的傳輸函數(shù)，以及溫度和壽命對器件的影響，不需要其他的驅(qū)動和分立元件，提供了更見穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化性能，而且在相同的信號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，ADUM1201以單一芯片實現(xiàn)了CAN總線節(jié)點之間的電氣隔離，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總線信號的傳輸，大大簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，同時，由一個隔離芯片代替以往的兩個，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
?????? 本文介紹雙通道數(shù)字式磁隔離器ADUM1201在CAN總線通信系統(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總線隔離的實現(xiàn)提供了一種很好的解決方案。
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