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1、One Technology Way P.O. Box 9106 Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 Fax: 781.461.3113 AN-770 应用笔记作者：Ronn Kliger和Sean ClarkSOFARBITRATIONCONTROLDA TACRCAC KEOFCAN总线仲裁CAN总线协议还规定了无损位仲裁方法，确保数据不会丢失。它是该协议最重要的特性之一。 CAN总线协议对总线上的数字逻辑状态进行了规定，将逻辑高电平状态定义为隐性状态，将逻辑低电平状态定义为显性状态。这样设计的目的是允许每个节点都能同时执行侦
2、听和发送。所有节点都会在每条消息开始时发送一个显性消息起始(SOM)位。其他节点会注意到总线活动，在消息包传送完毕之前，不会尝试启动传输。 SOM位之后是仲裁字段。该字段为11位或29位长，取决于所用CAN总线协议的版本。如果某条消息的优先权最高，则其仲裁字段的显性位数也最多。它将首先传输一个显性位，而其他节点则传输隐性位。 仲裁字段也称为识别符，用于确定消息在总线上的优先权。仲裁字段发送完毕时，除优先权最高的节点以外的所有节点都将已经停止传输。 如果多个节点同时开始传输，则总是由发送最多数量显性位的节点控制总线。所有节点都监控总线，并在发现有更高优先权的传输时停止传输。 其他节点在该消息传输
3、完毕后尝试再次传输。在第二次尝试中，仲裁字段值次高的节点控制总线，仲裁过程再次重复。 这种无损总线仲裁方法可确保优先权最高的消息始终得以传送。简介 控制器区域网络(CAN)总线是设计用于工业应用的一种稳定的协议，最初针对汽车应用而开发。它规定最大电缆长度为40米，最大节点数为30。这种规范十分灵活，优势明显，因此其应用日益广泛。 由于CAN总线系统通常用于连接多个系统，铺设距离很长，因此总线和所连接的各系统之间的隔离非常关键。隔离可以防止CAN总线电缆网络与连接至总线的系统之间的过压瞬变造成破坏，同时消除网络中的接地环路，减少信号失真和误差，并防止电压/接地失配影响电路。 本应用笔记的目的是向
4、用户简要介绍CAN总线协议，重点讨论系统物理层，并解释系统隔离的重要意义。本应用笔记还详细说明了如何在CAN总线系统中利用ADI公司的iCoupler产品实现隔离。CAN总线概述 CAN总线协议国际标准化组织(ISO)将CAN总线协议标准定义为串行通信双线总线，其数据速率最高可达1 Mbps。它使用两层：一是ISO11898所规定的差分信号物理层，用于提供出色的抗噪声干扰性能；二是数据链路层，用于定义信号如何交互和通信。 数据帧CAN总线协议采用异步数据传输设计。传送的数据通过数据帧发送，每次传输的开始和结束由起始位和停止位控制。 数据帧由下列字段组成：仲裁字段、控制字段、数据字段、循环冗余校
5、验字段和应答字段。帧以帧起始“显性”位开始，并以帧结束字段(位)结束，如图1所示。CAN总线应用中的iCoupler隔离图1.CAN总线数据传输帧Rev. 0 | Page 1 of 8 CANH CANLGNDVCCDRIVERRECEIVERWA KE UP MODE CONTROLLO W PO WE R RECEIVER (SLEEP MODE)TxSTANDBYRxVOLT AG ETIMEVCC 0.9V (TYP)VCC/2 (TYP)1.5V (TYP)CANHCANLRECESSIVEDOMINANTRECESSIVECAN总线类型第一次公布的CAN总线标准采用ISO1151
6、9，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。 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
7、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 s。 工作原理CAN总线收发器采用独特的开漏设计(图3)。驱动器采用一对
8、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)。图4.CAN总线信号RxTxRxTxTxRx120QTxRx120 QCANHCANLCANHCANL图2.CAN总线网络图3.典型的CAN收发器，包括低功耗待机模式电路Rev. 0 | Page 2 of 8 AN-770 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VC
9、C 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。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 ，电缆每一端都进行端接。这种
10、布局产生标称值60 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。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
11、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。Rev. 0 | Page 3 of 8 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
12、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。
13、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。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
14、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。AN-770为完成CAN总线电路与本地系统的隔离，无论采用iCoupler还是光耦，都需要使用DC-DC隔离电源转换器。隔离电源用于为本地CAN总线收发器和隔离器的CAN总线侧供电。隔离电源一般由本地系统提供。 数字隔离器和DC-DC隔离电源结合使用，可有效防止电涌损坏电路并消除接地环路。图5说明应用iCoupler集成的典型CAN总线系统配置中的系统隔离设计。 隔离器件选择系统性能要求是影响隔离器件选择的最重要因
15、素。其他考虑因素还包括空间限制和成本。数据速率要求系统数据速率要求可能是唯一最重要的器件选择参数。CAN总线规范定义了两个最大数据速率：125 kbps和1 Mbps。幸运的是，所有iCoupler产品都以高达1 Mbps的数据速率运行。iCoupler产品系列还包括数据速率高达10 Mbps、25 Mbps和100 Mbps的器件。 器件成本一般与数据速率性能成正比。因此，设计人员应注意，器件性能满足需要即可。不过，选择低性能器件会使未来的系统性能升级更复杂并且成本更高，因为任何不能与升级的系统数据速度兼容的器件都需要进行替换。 ADI iCoupler产品的传播延迟显著短于光耦。更短的传播
16、延迟意味着处理器与总线之间的信号响应时间更快。这在仲裁期间特别重要，因为每个节点必须决定哪一条消息享有优先权并控制总线。因此，传播延迟时间将决定以所需数据速率工作的总线的最大容许线路长度。空间要求几乎所有应用都对最大尺寸有所要求，某些方案可能面临空间严重受限的问题，幸好现在有办法来解决这些问题。Rev. 0 | Page 4 of 8 AN-770 ADuM1100VDD1V1VDD1GND1VDD2GND2VOGND2ADuM1100VDD1V1VDD1GND1VDD2GND2VOGND2ADuM1100GND2VOGND2VDD2GND1VDD1VIVDD1CAN CONTROLLERLOCAL VCCISOLA TED DC/DC SUPPL YISOLA TED SUPPL Y VCCLOCAL GR OUNDTxRxSTBCAN BUS TRANSCEIVERCANLISOLA TED SUPPL Y GR OUNDCANHLOCAL VCCLOCAL GROUND图 5.采用三个ADuM1100的CAN总线
