采用ADuM1201的CAN总线隔离方法

引言

can（controller area network）[3]总线又称控制局域网络，最早由德国bosch公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，can已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其总线规范已被iso国际标准组织制订为国际标准。can的主要优点：1、为多主工作方式，可以很方便地构成多机备份系统，2、可以点对点、点对多点及广播方式收发数据，通信速率最高可达到1mb/s（此时通信数据最长为40m），实际节点数可达110个，直接通信距离最远可达10km（速率5kb/s以下），3、can网络上的节点可分为不同的优先级，以满足不同的实时要求，4、采用非破坏性仲裁技术，能够有效地避免总线冲冲突；5、用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个（短帧传输时间短、受干扰概率小、重发时间短，每帧信息都有crc校验及其他验错措施，可保证数据的低出错率；6、通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活；7、总线节点在错误严重的情况下，具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。

基于can总线的智能节点的设计有经典的电路，本文介绍一种新的思路，可应用在煤矿等场合。

1 系统概述

如图1所示，本系统由单片机、隔离器、can控制器和外扩的ram组成，其中，单片机选择atmel公司推出的t89c51cc01[4]，它是一种功能强大的8位微控制器，自带can控制器和32 kb flash存储器和8位微处理器，与8051系列单片机兼容，静态时钟模式，其周期时间为300ns，内有32kb闪存程序存储器，可在系统编程（isp），包括有2kb闪存引导存储器，2kb eeprom和1.2kb ram，可控制15个can通道，这些通道可编程用于接收、发送或接收缓冲器，可为网络节点提供硬件支持，并且内部还有a/d转换和pwm发生器等其他功能。

at89c51cc01输出的信号不能与物理总线直接相连，必须使用can总线收发器，因此外接了基于can总线协议的总线收发器pca82c250，选择了经典的控制电路，pca82c250是can控制器与总线之间的物理接口，可以提供对总线的差动发送和接收功能，针对canl和canh的两种输出状态，总线具有两种不同的电平，这两种电平可以差分输入，接受端呈现显性或隐性两种状态，同时使用pca82c250可以增长通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力。

由于现场情况十分复杂，各节点之间存在很高的共模电压，虽然can接口采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但当共模电压超过can驱动器的极限接收电压时，can驱动器就无法正常工作了，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备，因此，为了适应强干扰环境或是高的性能要求，必须对can总线各通信节点实行电气隔离。

传统的can总线隔离的方法是光耦合器技术，使用光束来隔离和保护检测电路，以及在高压和低压电气环境之间提供一个安全接口，目前一般使用6n137光电隔离器件。以toshiba公司的6n137为例，其工作电压为5v，最高速率10mbps，工作温度一般为0－70℃，隔离电压为2500v（有效值）。并且以dip8型封装，每个芯片仅提供一个隔离通道，这些性能已经限制了6n137在更高要求的环境中应用，因此，本系统采用了adi公司推出的新型双通道数字隔离器adum1201。adum1201有诸多优于光电隔离器件性能的地方，可满足can总线的要求。

虽然at89c51cc01内部有1kb的eram可用来存储程序，但是为了保证数据存储具有足够大的空间，设计中外扩了128字节的ram，即61c1024，具体电路连接如图2所示。

pca82c250将接收到的所有总线上传输的帧，通过电流和电压隔离，传送到t89c51cc01的can模块。can模块比较接收码寄存器和帧的id码，相等的则接收，并引发一个接收中断，在接收中断的处理中，at89c51cc01读取can模块接收缓冲区中的数据，将其传送到61c1024的双口ram中。最后，pc通过pci总线定时读取61c1024双口ram中的数据。

另外，这里用到的单片机at89c51cc01也可用at89c51cc03[5]来代替，两者的比较如表1所列。

2 adum1201

adum1201是adi公司推出的新产品，它采用的icoupler技术是基于芯片尺寸的变压器，而不是基于光电耦合器所采用的led与光电二极管的组合，这种技术由于取消了光电耦合器中的光电转换过程，并且采用了icoupler变压器专利技术集成变压器驱动和接收电路，从而实现了光电隔离器无法比拟的性能优势。由于使用晶片级制造工艺直接在芯片上制造icouple变压器，所以icoupler通道比光电耦合器有效地实现通道之间的集成，以及比较容易地实现其他半导体功能。

由于没有光电耦合器中影响效率的光电转换环节，所以icouple数字隔离器无需驱动led的外部电路，功耗仅为光电耦合器的1/10－1/50，这种新的基于电磁的隔离方法，在抗高温影响方面远优于光耦合器，icoupler数字隔离器在125℃高温环境下性能和可扩性并不下降，因此可以采用低成本、小体积的soic封装，这样不但降低了成本还减小了芯片的体积，另外，icoupler数字隔离器的隔离通道具有比光电耦合器更高的数据传输速率，时序精度和瞬态共模抑制能力。其额定隔离电压是高隔离度光电耦合器的2倍，并且数据传输速率和时序精度是其10倍，此外，与光电耦合器不同的是，多通道icoupler数字隔离器能在同一芯片内提供正向和反向通信通道，这样就可以使得信号的传输方向更加灵活，简化了芯片间的硬件连接线路。

adum1201具有诸多优于光电隔离器的优点：

1、速度更高--最高速率可以达到25mbps；

2、功率更低--功耗低于同数据传输率时传统光电隔离器的1/10，最小工作电流为0.8ma；

3、性能更高--时序精度，瞬态共模抑制力，通道间匹配程度均优于传统光电隔离器；

4、体积更小--集成度更高，印制电路板（pcb）面积为传统光电隔离器的40％；

5、价格更便宜-每通道成本为传统光电隔离器的40％；

6、应用更灵活--与传统光电耦合器不同的是，多通道icoupler数字隔离器能在同一芯片内提供正向和反向通信通道。

adum1201所隔离的两端有各自的电源和参考地，电源电压为2.7－5.5v，这样可以实现低电压供电，从而进一步降低系统功耗，系统中使用的电源是5v，电源和参考地之间接入0.01－0.1μf电容，以滤除高频干扰，电容和电源之间的距离应在20mm以内，这样可以达到更好的滤波效果，由于两个隔离通道高度匹配，通道间串扰很小，并且采用两通道输入/输出反向设计，非常适合can总线双向收发的特性，大大简化可隔离器与所隔离两端的硬件连接。需要注意的是：gnd1与gnd2是两个不同的参考地，否则将达不到隔离的效果，adum1201正常工作时，两端的供电源需要同时上电才能保证adum1201两通道都能正常工作，如果有一个没有上电就能导致整个芯片无法正常工作，相关电路连接如图3所示，其中两个in4148为防雷击管，用来防止总线上的瞬变干扰。

隔离芯片adum1201处于系统的中间，用来隔离各传感器节点，比传统的光电隔离器件具有更好的性能，adum1201消除了传统光电隔离器不确定的传输速率，非线性的传输函数以及温度和寿命对器件的影响，无需其他驱动和分立元件，提供了更加稳定的转化性能，而且在相同的信号传输速率下功耗只有光电隔离器的1/10－1/6。另外，adum1201以单一芯片实现了can总线节点之间的电气隔离，并采用双转化通道，两通道方向相反的特殊结构，非常适合于can总线信号的传输，大大简化了系统的硬件结构，同时，由1个隔离芯片代替以往的2个，大大增加了通道间的匹配程度，使系统获得更好的隔离性能。

结语

本节点的设计利用传统的经典电路，并且用adum1201代替传统的光电隔离器件，降低了系统功耗，简化了系统结构，增强了系统稳定性，提高了系统的性能，成板之后调试效果良好，并且为基于can总线的智能节点的应用设计提供了一定的参考价值。