恶劣电磁环境中的CAN总线接口电路设计

摘要：CAN总线已经形成国际标准(ISO11898)，并已成为工业数据通信的主流技术之一。本文介绍了一种应对恶劣电磁环境的CAN接口电路。首先对接口电路总体框图进行介绍，然后着重对隔离部分、CAN总线收发器部分及外围电路元器件选择进行了详细说明，最后，对设计的实验测试情况进行了描述。
关键词：CAN总线；隔离设计；光耦；干扰

引言
CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信同络，以其裔性能和高可靠性在自动控制领域得到了广泛的应用。CAN总线最初是为汽车应用开发的，规定了一种2线串行通信协议，支持高达1 Mbps的数据速率、多达30个节点和40 m的最大电缆长度。目前CAN总线主要用于汽车自动化领域，在工业过程控制领域也得到了广泛的应用。
工业应用环境中存在着许多瞬变脉冲，这些瞬变脉冲会影响到数据的传输，甚至伤害互连的设备。为了能够在高速现场总线通信时实现无错误的数据传输，工业系统设计工程师必须要对这些干扰进行处理，通常会使用具有绝缘隔离功能的光电耦合器来维持数据的完整性，并保护互连设备。对于应用于重型卡车、大型客车、油罐车等更为恶劣电磁环境中的车身总线产品，对CAN总线抗干扰能力有更严格的要求，通常需要CAN总线电源部分也实现物理隔离。文中推荐了一组电源隔离和光耦隔离芯片IB0505LT-W75和ACSL-6210，并提供了一种CAN总线收发器和外围器件设计参考电路。

1 CAN总线接口电路总体设计
CAN总线接口电路主要包含如下部分：控制器部分、收发器部分、隔离部分、外围电路部分及供电电源。CAN总线通信的核心芯片是CAN总线控制器，CAN总线的通信协议主要是由它完成的，它可以实现物理层和数据链路层的所有功能。CAN总线控制器有许多芯片结构，独立芯片的例如Philips公司的SJA1000，Siemens公司的82C900等，还有和微处理器集成在一起的嵌入型结构。本设计中根据智能化程度高、可靠性高，抗干扰能力强、成本低等要求，采用ST公司的STM32F103系列单片机内嵌CAN总线控制器方案。
CAN总线收发器芯片使用TI公司的汽车级收发器SN65HVDA541一Q1，芯片设计遵循CAN总线国际标准ISO 11898—1／2，通信支持SAEJ1939 NMEA 2000标准的CAN总线数据接口，最大传输速率为1 Mbps，采用5 V主电源供电，工作温度为-40～125℃。

隔离设计部分和外围电路部分对电路稳定性和抗干扰能力有较大的影响，本文将着重讨论。CAN总线接口电路总体框图如图1所示。

2 电路隔离设计
电路隔离设计包含两部分：一是CAN总线通信总线隔离设计；二是CAN总线收发器及外围电路供电电源隔离设计。
CAN总线隔离采用通用的光耦隔离方式，光耦隔离的原理就是利用半导体光敏感器件和发光二极管组成隔离电路。输入的电信号驱动发光二极管，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，从而完成电一光一电的两次转换，实现电信号的传送。由于光耦合器输入／输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。另外，光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。因此，它在长线信息传输中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。