CAN总线应用中的iCoupler隔离(2)

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图2.CAN总线网络

CAN总线类型

第一次公布的CAN总线标准采用ISO11519，针对最高125 kbps的数据速率而设计，一般将其称为低速CAN标准。第二次公布的CAN总线标准采用ISO11898，针对125 kbps到1 Mbps的信号速率而设计，一般将其称为CAN 2.0A标准。这两种标准规定的仲裁域均为11位。

工作原理

CAN总线收发器采用独特的开漏设计(图3)。

V

Tx最新的CAN总线标准是2.0B版。除了规定29位长的仲裁域之外，该标准与2.0A完全相同。

CAN总线物理层

其物理层是一个平衡或差分双线式串行接口(图2)。大多数CAN系统都是采用5 V电源电压设计，但也有一些系统采用3 V电源电压设计。

差分双线式总线上的数据通信采用不归零(NRZ)编码。这可确保消息结构紧凑，传输次数最少，并且具有高抗扰度。

CAN总线规范定义了从10 kbps到1 Mbps的多种数据速率，但所有系统模块都必须支持20 kbps数据速率。

ISO11898标准规定总线长度最长40米，分支线长度最长0.3米，节点数最多30个。然而，CAN总线物理层的鲁棒设计允许使用长得多的电缆。通过精心设计，总线电缆长度可达1,000米。随着总线长度增加，最大数据速率会相应地有所降低。

系统最高速度取决于总线电缆长度。1 Mbps对应的最大电

STANDBY

Rx

图3.典型的CAN收发器，包括低功耗待机模式电路

驱动器采用一对开漏器件在总线上构建一个差分信号，包括CANH(高)和CANL(低)。这两个信号的结合产生总线上的主动信号电平。主动信号电平代表逻辑低状态。如果没有发射器来驱动，则利用上拉电阻将总线电平设置为VCC/2。VCC/2电平是被动信号总线电平，代表逻辑高状态(图4)。

缆长度为40米。一个采用11位识别符的8字节帧的最差情况传输时间为134位时间；若以1 Mbps的最大波特率传输，该时间相当于134 μs。

图4.CAN总线信号

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在显性状态期间，有效驱动器将CANH线配置为高电平，将CANL线配置为低电平。CANH的差分信号电平典型值为VCC – 0.9 V，CANL为地以上1.5 V。

可以使用外部上拉电阻来配置总线的隐性状态。许多CAN总线收发器都在内部将驱动器输入引脚和接收器输出引脚被动拉高。

CAN总线收发器的非总线侧连接到CAN控制器或一个处理器。收发器这一侧上的信号为标准0 V至5 V或0 V至3 V逻辑电平。

许多收发器在处理器侧还有一个待机控制输入端，允许控制器将收发器置于低功耗待机模式，以降低系统功耗。低功耗接收器在待机模式期间仍然有效，以便监控总线的状态变化。当检测到总线活动时，接收器向控制器发送信号，以激活本地CAN节点。

电动马达等有较大电流开关的设备工作时会造成接地电位迅速变化。这类变化会在任何附近的线路中产生电流以使接地电位相等。

其他感应电涌源还包括静电放电(ESD)和雷击。这些感应产生的电涌会在线路上产生数百、甚至数千伏电位，表现为瞬态电流和电压浪涌。

这导致的结果是，电缆末端节点可能收到一个开关信号，叠加在相对于其本地接地为高电压的电平上。这些不受控制的电压和电流会破坏信号，并且对本地收发器元件和系统而言可能是灾难性的，会造成连接至总线的元件损坏并导致系统故障。CAN总线系统通过40米或更长的电缆运行并互连多个系统，因此极易受这类事件影响。

为防范此类潜在性的破坏，总线上以及连接至总线的系统上的所有设备都必须参考同一地线。也就是说，连接至CAN总线的系统和每个CAN总线收发器都具有独立且隔离的地。CAN总线系统参考同一地线可消除接地环路，从而防止接地环路和电涌破坏电路。

隔离还允许CAN总线电路基准电平随电缆线路上出现的任何电涌而上升或下降。允许电路基准电压源随浪涌移动，而不是将其箝位于固定地，可防止器件受到损坏或毁坏。 要实现系统隔离，必须隔离CAN总线信号线路和电源。可通过隔离式DC-DC电源获得电源隔离。信号隔离可通过光耦或ADI公司的创新产品iCoupler来实现。

端接

电缆每一端都需要端接电阻。差分电缆之间的标准端接电阻为120 Ω，电缆每一端都进行端接。这种布局产生标称值60 Ω的总线负载，符合ISO11898的要求。

容错

CAN总线标准建议(但不要求)收发器应当能够耐受多种故障情形，包括总线线路相互短接、对电源短接或对地短接。收发器针对这些情况提供的典型保护电压范围在–4 V至+16 V之间，但不能认为所有收发器都提供容错能力。建议用户仔细查阅数据手册中的技术规格。

隔离的实现

隔离的实现方式并不十分复杂，但设计人员在实现隔离电路时必须考虑多个重要因素。

CAN总线要求通过电阻连接实现隐性状态(通常为VCC/2)，并要求通过CANH和CANL的组合实现显性状态。数字隔离器并不支持这种信号标准。因此，无法在CAN总线收发器与电缆之间插入数字隔离器。

CAN总线信号路径隔离通过在收发器和本地CAN总线控制器之间的数字信号路径中设计隔离器来实现。CAN总线收发器的系统侧利用0 V至5 V或0 V至3 V的数字逻辑电平信号，一般连接至CAN控制器或处理器。iCoupler隔离器包括相互隔离的输入电路和输出电路。在此位置放置iCoupler可实现CAN总线电缆信号与连接至其上的每个系统的电气隔离。

系统隔离概述

连接两个系统的电缆总线上若出现不需要的电流和电压，可能会导致严重问题。高电压和高电流可损坏连接至总线的元器件。这些电压和电流主要有两个来源：接地环路和电力线浪涌。这些电压可能远远超过CAN总线推荐的故障保护水平。

如果总线或系统利用多个接地路径，就会产生接地环路。连接至总线的两条系统地线相隔数米或更远，不太可能处于相同电位，因此电流将在这两个位置之间流动。这种非预期的电流会损坏甚至毁坏系统元件。

电涌可能由多种原因引起，它们是电流通过感应方式耦合到电缆上的结果。工业环境中的长电缆线路和系统尤其易受电涌的影响。