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CAN總線控制器如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ISO 11898？

時(shí)間：2024-12-22 19:51:17

關(guān)鍵字： CAN總線控制器

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[導(dǎo)讀]CAN 總線允許高達(dá)1M bit /s通訊速率，支持多主通訊模式，有高抗電磁干擾性而且能夠檢測(cè)出通信過程中產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤，已被廣泛應(yīng)用到各自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。

CAN 總線允許高達(dá)1M bit /s通訊速率，支持多主通訊模式，有高抗電磁干擾性而且能夠檢測(cè)出通信過程中產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤，已被廣泛應(yīng)用到各自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。在項(xiàng)目的特殊環(huán)境要求下， CAN總線通信要求使用FPGA作為系統(tǒng)中的主控制器，較之傳統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)， FPGA能夠在速度和體積上有更好的適應(yīng)性。FPGA 一方面減少了電路板的復(fù)雜程度，縮短了實(shí)現(xiàn)周期;另一方面，其豐富的資源、超高的性能和靈活的可編程性，提高了整個(gè)設(shè)備的可靠性，大大增強(qiáng)了電路板設(shè)計(jì)的靈活性和可擴(kuò)展性。文中通過設(shè)計(jì)FPGA 的接口電路，并利用Verilog語言來編程實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)之間的通信功能。

CAN總線控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ISO 11898–1的所有低級(jí)功能，同時(shí)收發(fā)器與物理層通信。不同的物理層需要不同的收發(fā)器，如高速can、低速容錯(cuò)can、高速可變數(shù)據(jù)速率can。

在一個(gè)典型的實(shí)現(xiàn)中，CAN總線控制器和微處理器被統(tǒng)一成一個(gè)啟用CAN的微控制器。市面上有帶SPI接口的外部CAN總線控制器，主要由微芯片制造，但它們往往會(huì)增加不必要的成本和復(fù)雜性。

在本文中，我們將研究從收發(fā)器到can總線連接器的電路設(shè)計(jì)。是時(shí)候把我們的手弄臟，設(shè)計(jì)我們的CAN總線電路!

第一步-選擇正確的IC

所有的CAN總線收發(fā)器的工作原理類似，因?yàn)樗鼈兾挥趯?shí)現(xiàn)CAN總線控制器的微控制器(或FPGA)和CAN總線本身之間。不過，還是有一些不同之處，你應(yīng)該仔細(xì)考慮。

快速搜索合適的八角分類揭示了CAN總線收發(fā)器的主要制造商按提供的集成電路數(shù)量降序排列為NXP半導(dǎo)體、微晶片、德州儀器、Maxim Integrated、模擬器件和ST微電子。

所有這些收發(fā)器看起來都很相似，但它們的特性和性能卻各不相同。

ESD保護(hù)

市場(chǎng)上第一個(gè)CAN總線收發(fā)器包括很少的ESD(靜電放電)事件保護(hù)。它們要求所有的I/O保護(hù)都要用外部組件來實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)際選型過程中，我們需關(guān)注CMC的多個(gè)關(guān)鍵特性，包括電感值、漏感(leakage inductance)、直流電阻(DC resistance)以及模式轉(zhuǎn)換特性(mode conversion characteristics)，以確保所選CMC能夠最優(yōu)化地滿足系統(tǒng)的EMC需求。

1.1、電感值

在選取CMC電感值時(shí)，我們首要考慮的是其對(duì)總線共模噪聲的抑制能力。為了有效抑制共模噪聲，CMC在共模噪聲頻率處應(yīng)具備盡可能高的電感值，從而呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)，阻止噪聲傳播。然而，電感值的選擇并非越大越好，過大的電感值會(huì)帶來尺寸和成本上的挑戰(zhàn)。

綜合考慮，針對(duì)500kbps的CAN通信，推薦使用51uH電感值的CMC;而對(duì)于2Mbps的CAN FD通訊，則建議采用100uH電感值的CMC，以實(shí)現(xiàn)共模噪聲的有效抑制并兼顧尺寸與成本。

1.2、泄漏電感

泄漏電感，亦稱為差模電感，對(duì)差模信號(hào)具有一定的抑制效果。然而，過大的泄漏電感可能會(huì)引發(fā)CAN信號(hào)的振鈴現(xiàn)象，從而干擾CAN總線的正常通訊。與此同時(shí)，適量的泄漏電感又能有效抑制CAN總線中的差模電流，進(jìn)而提升系統(tǒng)的整體EMI性能。

因此，在權(quán)衡泄漏電感的影響時(shí)，我們應(yīng)確保其既能發(fā)揮差模抑制作用，又不至于在總線信號(hào)上產(chǎn)生顯著的振鈴，確保CAN總線的正常通訊不受干擾。適度的泄漏電感對(duì)于優(yōu)化系統(tǒng)性能是有益的。

1.3、直流電阻

共模電感的直流電阻對(duì)總線信號(hào)的損耗具有直接影響。隨著直流電阻的增大，總線信號(hào)的損耗也會(huì)相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致傳輸效率降低。因此，在確定了共模電感的電感值之后，選擇直流電阻盡可能小的CMC顯得尤為重要。

這樣做可以有效減少總線信號(hào)的損耗，提高信號(hào)傳輸效率，確保CAN總線通信的穩(wěn)定性和可靠性。

1.4、CMC的模式轉(zhuǎn)換特性

共模電感的模式轉(zhuǎn)換特性揭示了其上下線圈的對(duì)稱程度，這一特性通過Ssd12/Sds21參數(shù)來衡量。當(dāng)Ssd12/Sds21參數(shù)的差異較大時(shí)，意味著模式轉(zhuǎn)換特性更為顯著，可能表明CMC的上下線圈存在較大的不對(duì)稱性。這種不對(duì)稱性會(huì)在CAN總線通信過程中引入額外的共模噪聲，從而降低CMC的EMI濾波效能。因此，在選擇CMC時(shí)，我們應(yīng)傾向于選擇那些Ssd12/Sds21參數(shù)接近的器件，以優(yōu)化EMI性能。

如下圖所示的DLW32SH101XF2阻抗與頻率特性曲線，清晰地展示了CMC在共模噪聲頻率下的高共模阻抗Zc，這有助于有效抑制共模噪聲。同時(shí)，在CAN總線通信頻段內(nèi)，CMC保持了較低的差模阻抗Zd，確保在抑制共模噪聲的同時(shí)，不會(huì)對(duì)總線的正常通訊造成不利影響。

在CAN網(wǎng)絡(luò)的正常通信過程中，若總線遭遇異常故障，例如短路至BAT或Vcc，CMC的存在可能導(dǎo)致總線上產(chǎn)生接近或超出總線耐受電壓的瞬態(tài)電壓。對(duì)于NOVOSENSE系列的CAN收發(fā)器而言，此類因總線短路而在CMC上產(chǎn)生的瞬態(tài)過壓，恰好滿足芯片總線引腳內(nèi)部ESD防護(hù)電路的啟動(dòng)條件。

因此，由CMC感生的過壓能量將通過內(nèi)部ESD防護(hù)電路得到完全泄放，確保芯片免受任何損害，從而保障了收發(fā)器的可靠性和穩(wěn)定性。

1 CAN 接口硬件設(shè)計(jì)

1.1 CAN 節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)構(gòu)成

一般來說，每個(gè)CAN 模塊能夠被分成3 個(gè)不同的功能塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。CAN總線收發(fā)器提供CAN協(xié)議控制器與物理總線之間的接口，控制從CAN 控制器到總線物理層或相反的邏輯電平信號(hào)。它的性能決定了總線接口、總線終端、總線長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)數(shù)，是影響整個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)通信性能的關(guān)鍵因素之一。CAN 控制器執(zhí)行在CAN 規(guī)范里規(guī)定的完整的CAN 協(xié)議，它通常用于報(bào)文緩沖和驗(yàn)收濾波，對(duì)外具有與主控制器和總線收發(fā)器的接口。主控制器負(fù)責(zé)執(zhí)行應(yīng)用的功能，例如控制命令的發(fā)送、讀傳感器和處理人機(jī)接口等。它通過對(duì)CAN 控制器進(jìn)行編程，來控制CAN 總線的工作方式和工作狀態(tài)，以及進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。