数字隔离器ADUM1201在CAN总线通信系统中的应用

数字隔离器专家2018-12-06 15:45:40


CAN(Controller Area Network)总线属于现场总线的范畴,它是德国Bosch公司在20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。自Bosch公司推出CAN总线至今,CAN总线以其系统的实用性、可靠性和经济性而倍受青睐,并获得了长足的进步。CAN总线是目前唯一有国际标准的现场总线,可实现全分布式多机系统,采用非破坏性总线仲裁技术,可满足不同的实时要求,通信距离最远可达10km(传输率为5kbs),通讯速率最高可达l Mbs(传输距离为40m);节点数可达110个,传输介质为双绞线或光纤,报文采用短帧结构,带有CRC校验以及其他检错措施,使得数据出错率极低, 可靠性极高。CAN总线以其卓越的特性,低廉的价格,极高的可靠性和灵活的结构,已被公认为最有前途的现场总线之一。

 

正由于CAN总线具有诸多其他总线无法比拟的特性,所以CAN在许多场合应用广泛。尤其是在一些强干扰的恶劣环境下,比如工业现场,更是有着重要的应用。因此在某些应用领域,由于现场情况十分复杂,各个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,在强干扰环境中,或是高的性能要求下,就必须对CAN总线各个通信节点实行电气隔离。

 

传统的CAN总线隔离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,该器件工作电压为5V,最高速率10Mbps,工作温度一般为070,隔离电压2500Vrms,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,ADI公司推出的新型双通道数字隔离器ADUM1201以其诸多优于光电隔离器件的性能优点,在CAN总线以及其他高要求情况下有着广泛的应用前景。

 

ADUM1201

 

ADUM1201基于ADI获奖的iCoupler数字隔离器采用平面磁场专利隔离技术。iCoupler技术是一项专利隔离技术,它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。iCoupler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它半导体功能。

 

由于没有光电耦合器中影响效率的光电转换环节,所以iCoupler数字隔离器不需要驱动LED的外部电路,其功耗仅为光电耦合器的1/101/50。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靠性并不下降,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。

 

由于基于iCoupler技术,所以ADUM1201具有诸多优于光电隔离器的优点:

速度更高   最高速率可以达到25Mbps

功耗更低--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0.8mA

●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

●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%。

●价格更便宜--每通道成本为传统光电隔离器的40%。

●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,电源电压范围在2.7V到5.5V之间,这样可以实现低电压供电,从而进一步降低系统功耗。电源和参考地之间需要接入0.01μF到0.1μF电容,以滤除高频干扰,电容和电源之间的距离应该在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。

 

另外需要注意的是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。

 

ADUM1201在CAN总线通信系统中应用

 

在CAN总线通信节点中,双通道数字式隔离器ADUM1201用来实现CAN控制器和CAN驱动器之间的电气隔离,以到达更好的抗干扰性能。一般放在CAN控制器与CAN驱动器之间,也有的CAN控制器被集成在微控制器内部,那么用ADUM1201实现微控制器和CAN驱动器的隔离即可。

 

我们用CAN总线组成了一个传送高速公路能见度预警信号的远距离通信网络。其中利用ADUM1201实现CAN总线节点之间的电气隔离。CAN总线的具体硬件电路图如图1所示,由图可见,整个硬件电路由微控制器,隔离芯片,CAN总线驱动芯片三部分组成。微控制器选用微芯公司新款集成CAN总线控制器的PIC18LF458芯片,它是8位COMS单片机,内部采用哈佛总线结构,使得全部指令单字节、单周期化,有利于提高CPU执行指令的速度,从而提高单片机的运行速度。同时,最低2V供电电压,大大降低系统的功耗,以上特点不光满足了系统需要快速响应的实时性要求,而且满足了系统需要全天候长时间工作的低功耗要求。CAN驱动器我们选用微芯公司的CAN总线驱动芯片MCP2551,它完全兼容ISO-11898标准,最高速率可达1Mbps,提供了比82C250更好电磁辐射和抗电磁干扰能力性能,为了更好的确保系统的稳定性,外加电阻R2和R3起限流作用,防止MCP2551受过流冲击,电容C3和C4为小电容以滤除总线上的高频干扰和防止电磁辐射,D1和D2为防雷击管,用来防止总线上的瞬变干扰。

 

单片机与CAN总线的硬件连接


隔离芯片ADUM1201处于系统的中间,用来隔离各个传感器节点,它比传统的光电隔离具有更好的性能,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,不需要其他的驱动和分立元件,提供了更见稳定的转化性能,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到1/6。由图1可见,ADUM1201以单一芯片实现了CAN总线节点之间的电气隔离,而且ADUM1201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,由一个隔离芯片代替以往的两个,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。

 

本文介绍双通道数字式磁隔离器ADUM1201在CAN总线通信系统中的应用,由于ADUM1201的优良特性,用ADUM1201代替传统的光电隔离器件,降低了系统功耗,简化系统结构,增加了系统稳定性,提高了系统的性能。为CAN总线隔离的实现提供了一种很好的解决方案。

 

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