can总线接口电路设计

1382008年第07期，第41卷 通 信 技 术 Vol.41，No.07,2008 总第199期 Communications Technology No.199,Totally 基于CAN总线的接口电路设计 侯 明①， 杜 奕② （①昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650031；②昆明理工大学 应用技术学院，云南 昆明 650031） 【摘 要】文中介绍了CAN总线的主要性能及特点，CAN总线在实际工业应用中的总体结构，同时给出了CAN总线协议转换器的硬件设计方法和通信协议。主要研究了CAN总线接口电路设计，所设计的总线接口电路由微处理器、CAN控制器、CAN总线收发器组成，并且详细介绍了CAN控制器、CAN收发器的功能以及CAN总线接口的硬件电路和硬件条件下的软件设计，为后续CAN总线接口电路的应用打下了基础。 【关键词】CAN总线；SJA1000；接口 【中图分类号】TP29 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2008)07-0138-03 Interface Circuit Design Based on CAN Bus HOU Ming①， DU Yi② （①College of Information Engineering and Automation Kunming University of Science and Engineering, Kunming Yunnan 650003, China； ②College of Applied Technology, Kunming University of Science and Engineering Kunming Yunnan 650003, China） 【Abstract】In this paper, the main CAN bus performance and features are presented, including the general structure of the CAN bus used in industrial application, and the hardware design methods of the CAN bus protocol converters and communication protocols are also given. This paper discusses the main interface circuit design of CAN Bus, which consists of microprocessor, CAN controller, CAN bus transceiver, and describes in detail the CAN controller, CAN transceiver of the CAN Bus interface, including the features of the hardware and the software design under the conditions of the hardware design. All these lay a foundation for the application of follow-up CAN. 【Key words】CAN bus; SJA1000; interface 0 引言 CAN(Controller Area Network)即控制器局域网络，是一种高性能、高可靠性、易开发和低成本的现场总线，是德国Bosch公司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。它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1 Mb/s，距离可达10 km。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，使网络内的节点个数在理论上不受限制。由于CAN总线具有较强的纠错能力，支持差分收发，因而适合高干扰环境，并具有较远的传输距离。因此，CAN协议对于许多领域的分布式测控很有吸引力。 CAN总线以目前技术条件较成熟的IS0／0SI模型为基础，与别的网络相比，它的信息传递的格式为报文。报文的长度可以不同，但都是有限的。当总线空闲时任何已连接的单元都可以开始发新的报文，报文以全网广播方式散发出去。各接收站根据报文的内容而不是地址进行判决，不需在信息中加入地址。 目前汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN，一条用于驱动系统的高速CAN，速率达到500 kb/s；另一条用于车身系统的低速CAN，速率是100 kb/s。驱动系统CAN主要连接对象是发动机控制器（ECU）、ABS控制器、安全气囊控制器、组合仪表等等，它们的基本特征相同，都是控制与汽车行驶直接相关的系统。车身系统CAN主要连接和控制的汽车收稿日期：2008-05-19。 作者简介：侯 明（1974-），男，讲师，主要研究方向为计算机硬件控制；杜 奕（1977-），男，讲师，主要研究方向为信息融合。 139内外部照明、灯光信号、雨刮电机等电器。因此有必要全面了解CAN总线接口和控制器。[1] 1 CAN通信控制器 CAN的通信协议主要由CAN控制器完成。CAN控制器主要由实现CAN总线协议的部分和实现与微处理器接口部分的电路组成。对于不同型号的CAN总线通信控制器，实现CAN协议部分电路的结构和功能大多相同，而与微处理器接口部分的结构和方式存在一些差异。目前生产CAN器件的知名厂商有：Intel、PHILIPS等。其CAN器件既有独立CAN控制器，也有包含CAN内核的微控制器和DSP等。[2] 这里主要以独立CAN控制器SJA1000为代表对CAN控制器的功能作一个简单介绍。SJA1000是适用于汽车和一般工业环境的独立CAN控制器。SJA1000是一种独立的CAN控制器，主要用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制。它是Philips公司PCA82C200控制器的替代产品，除了PCA82C200的Basic CAN操作模式以外，还增加了一种新的操作模式—PeliCAN，这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。 2 硬件实现 CAN总线通信控制器的硬件电路结构如图1所示。主要包括主控制器、时钟保持电路、非易失性EEPROM存储器、CAN总线接口电路和RS232接口电路。主控制器采用性价比高、结构简单、便于编程的AT89C51单片机，主要用于对CAN控制器SJA1000 及RS232串口的初始化，并通过对CAN控制器SJA1000 及RS232串口的控制操作实现现场CAN总线与管理层中央服务器PC的数据交换等通信任务。[3] 图1 CAN通信控制器的硬件电路结构 CAN总线接口电路的构成主要由CAN通信控制器SJA1000、高速光耦6N137和CAN总线驱动器82C250组成。SJA1000作为CAN总线协议转换的控制器，它内建BASIC CAN协议，并提供对CAN2.0B协议的支持。通过对片内寄存器的读、写操作，主控制器单片机能够设置CAN总线通信模式，实现数据的发送与接收。 SJA1000在逻辑上实现了传输数据的编码和解码[4]，若要与物理线路连接，还必须借助总线驱动器82C250，以增强CAN总线的差动发送和接收驱动能力。为了增强CAN 总线节点的抗干扰能力，防止线路间串扰，SJA1000 的TX0 和RXO 并不是直接与82C250 的TXD 和RXD 相连，而是通过高速光耦6N137 后再与82C250 相连；另外，CAN总线驱动器采用带隔离的DC/DC模块单独供电，实现了通信控制器与CAN总线的隔离，提高系统的可靠性。图2给出了CAN总线系统硬件电路原理图。 图2 CAN总线系统硬件电路原理 这里采用PCA82C250作为驱动收发器[5]，它是CAN控制器和物理传输线路之间的接口。它们可以用高达1 Mb/s的位速率实现在两条差动电压总线电缆上的数据传输。82C250的CANH和CANL引脚各自通过一热敏电阻与CAN总线相连，当过流时电阻发热阻值变大，保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联两个小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。 RS232接口电路主要用于主控制器单片机与管理层中央服务器PC的双向数据传送。由于采用了标准的RS232串行通信，结构简单、成本低。CAN总线系统电路主要由四部分所构成：微控制器89C51、CAN控制器SJA1000、CAN总线收发器82C250和高速光电耦合器6N137微处理器。89C51负责SJA1000 的初始化，通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通信任务。[6] SJA1000的AD0～Dl7连接到89C51的Po口，CS连接到89C51的P2．0，P2．0为0的CPU 片外存贮器地址可选中SJAIOOO，CPU 通过这些地址可对SJAlO0O执行相应的读写操作。SJAl0OO的RD、WR、ALE分别与89c51的对应引脚相连。INT接89c51的INT0，89C51也可通过中断方式访问SJA1000。 SJAIOOO和82C25O分别使用物理隔离的电源供电，是为了增强系统的抗干扰能力和可靠性。不过应该特别说明的一点是光耦部分电路所采用的两个电源vI3C和VDD必须完全隔离，否则采用光耦也就失去了意义。电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块或带多5 V隔离输出的开关电源模块实现。这些部分虽然增加了节点的复杂，但是却提高了节点的稳定性和安全性。 控制器的其他外围电路还有电源模块、非易失性EEPROM存储器、时钟保持电路、LED指示灯和看门狗等。非易失性EEPROM存储器采用具有2KB容量的AT24C02，用于保存系统配置参数及各节点的最新信息，便于管理层的查询。时钟保持电路选用涓流充电时钟芯片DS1302，其内部含有实时时钟和日历，通过简单的串行接口与单片机进行通信，用于给各节点控制器校时。同时,控制器还配置了4个LED指示灯，分别用于系统上电、CAN通信、RS232通信和系统通信故障的指示，以方便系统的调试和对控制器运行状况的监测。[7] 1403 软件实现 CAN总线接口的软件设计主要包括三大部分：CAN 控制器SJA1000的初始化设置，报文发送和报文接收。熟悉这三部分程序的设计就能编写出利用CAN总线进行通信的一般应用程序。下面仅就前面提到的SJA1OOO的初始化子程序作一描述，以供大家在实际应用中参考。程序主流程图如图3所示,CAN 控制器的初始化是CAN 总线系统设计中极为重要的一部分，是系统正常工作的前提。CAN 控制器从上电到能正常工作，一般需要经过硬件复位和软件配置。SJA1OOO的初始化设置是在复位模式下进行的。初始化主要包括工作方式的设置、接收滤波方式的设置、接收屏蔽寄存器(AMR)和接收代码寄存器(ACR)的设置、波特率参数设置和中断允许寄存器IER的设置等。在完成SJA1000的初始化设置以后，SIA1OOO就可以回到工作状态，进行正常的通信任务。

CAN总线接口电路设计注意事项

CAN（Controller Area Network）总线是一种广泛应用于汽车电子、工业自动化等领域的串行通信协议。CAN总线接口电路设计的关键因素包括信号线路、电源与地线路、保护电路等部分。以下是设计CAN总线接口电路时需注意的几个方面：

1.信号线路设计

信号线路的设计应考虑信号的稳定性、抗干扰能力和传输速率。首先，应尽量降低信号线的长度以减小信号传输的延迟。同时，为保证信号的稳定性和抗干扰能力，应使用屏蔽线缆，并正确接地以防止地回流问题。另外，为提高传输速率，可采用信号差分传输方式，即CAN-H和CAN-L两个线进行差分传输。

2.电源与地线路设计

电源与地线路的设计应考虑到CAN总线工作的稳定性和可靠性。首先，电源线路应提供稳定的电压，以满足CAN总线的要求。此外，地线路应设计合理，确保地的连续性和低阻抗。同时，为降低地回流对信号传输的干扰，应采用低阻抗地连接方式，即在CAN控制器和每个节点上都连接一段短接电阻。此外，为提高抗干扰能力，还可使用电源和地线的滤波电路。

3.保护电路设计

保护电路是为了保护CAN控制器和节点不受外部干扰和短路等异常情况的影响。首先，需要设置电压保护电路，以防止过压和过载等情况对硬件造成损坏。同时，还应考虑到静电放电和电磁干扰等问题，采用保护电阻、TVS二极管等元件进行保护。另外，还应设计电流限制电路，以防止短路时过大的电流对硬件造成烧毁。 4.稳压和滤波电路设计

稳压和滤波电路的设计是为了提供干净的电源和地线，保证CAN总线的正常工作。稳压电路可采用稳压芯片或稳压二极管等元件来实现，以保持电源的稳定性。滤波电路可采用电感、电容等元件，滤除电源和地线上的高频噪声干扰，提高CAN总线的抗干扰能力。

5.PCB布局和阻抗匹配

在PCB设计中，应合理布局CAN总线接口电路的各个元件和信号线路，以降低互相干扰的可能性。可以根据信号的传输速率和长度选择合适的线路宽度，确保信号的传输速率和阻抗匹配。

can总线接口电路设计

Can总线是一种用于车辆电子系统中的通信接口，它在汽车电子技术中起着至关重要的作用。本文将围绕Can总线接口电路的设计展开讨论。

Can总线是Controller Area Network的缩写，它是一种串行通信协议，旨在提供高可靠性、实时性和高带宽的数据通信。Can总线接口电路的设计是为了实现Can总线与其他电子设备的连接和数据传输。

我们需要考虑Can总线的物理层接口电路。Can总线使用差分信号传输，因此需要设计差分发送器和差分接收器。差分发送器将逻辑高和逻辑低分别转换为正向和负向的差分信号，而差分接收器则将差分信号还原为逻辑高和逻辑低。这样的设计可以提高信号的抗干扰能力，保证数据的可靠传输。

我们需要考虑Can总线的协议层接口电路。Can总线采用帧格式进行数据传输，因此需要设计帧格式解析器和帧格式生成器。帧格式解析器用于解析接收到的帧数据，提取出其中的控制信息和数据信息。而帧格式生成器则用于生成符合Can总线协议的帧数据，并将其发送出去。这样的设计可以保证数据的正确解析和生成，实现与其他设备的有效通信。

除了物理层和协议层接口电路，Can总线接口电路还需要考虑其他功能模块。例如，需要设计时钟模块来提供时钟信号，以保证数据传输的同步性。同时，还需要设计中断模块来处理Can总线接收到的中断信号，及时响应和处理来自其他设备的请求。

在Can总线接口电路的设计中，还需要考虑电路的功耗和成本。可以采用低功耗的设计方案，选择低功耗的器件和电源管理电路，以降低整个系统的功耗。同时，还需要根据实际的应用需求选择适当的元器件和电路结构，以降低系统成本。

Can总线接口电路的设计是为了实现Can总线与其他电子设备的连接和数据传输。它涉及到物理层接口电路、协议层接口电路以及其他功能模块的设计。在设计过程中，需要考虑信号的抗干扰能力、数据的可靠传输、接口的兼容性、功耗的控制以及成本的降低等因素。通过合理的设计和选型，可以实现高可靠性、实时性和高带宽的数据通信，进而提升车辆电子系统的性能和功能。

CAN总线接口电路的硬件设计

首先，CAN总线接口电路的设计需要考虑以下几个方面：电气特性、线路传输、保护电路以及电源设计。

1. 电气特性设计：CAN总线通信的电气特性主要包括传输速率、传输距离和传输噪声等。根据CAN总线的规范，通信速率可分为几个常用的速率，如1Mbps、500Kbps、250Kbps等。在设计CAN总线接口电路时，需要选择与所应用的CAN总线通信速率相匹配的晶振，并根据晶振选择合适的分频比。此外，CAN总线的传输距离较短，一般在40米以内，因此需要考虑信号的传输衰减和时序的稳定性。传输噪声是CAN总线设计中的一个重要问题，为了减少噪声的干扰，可以采取屏蔽线路、独立地线、滤波电路等措施。

2.线路传输设计：CAN总线的传输线路一般是双绞线，这种线路能够减少电磁干扰，提高传输质量。在设计CAN总线接口电路时，需要合理布局CAN总线线路，确保信号的稳定传输。在布线过程中，需要避免与其他高干扰信号线路的交叉和并行，以减少电磁干扰的可能性。对于长距离传输的CAN总线，还需要考虑电缆的衰减和传输质量，可以通过使用中继器来增强信号。

3.保护电路设计：CAN总线接口电路需要设计合适的保护电路，以防止过压、过流、过热等故障对电路和设备的损坏。常见的保护电路有瞬态电压抑制器（TVS）、过流保护电路和热敏电阻等。瞬态电压抑制器可以抑制大功率瞬态电流，保护电路免受过压的影响；过流保护电路可监测和控制电流变化，确保电路不会因过大的电流而损坏；热敏电阻可用于监测电路的温度，并在温度超过预设值时触发保护机制。 4.电源设计：CAN总线接口电路的电源设计需要考虑电源稳定性和滤波。稳定的电源可以提供稳定的工作环境，减少因电源波动而产生的故障。滤波电路可以滤除电源中的噪声，提高电源的质量。通常情况下，CAN总线接口电路需要提供3.3V或5V的电源供电，可以使用稳压器或开关电源等方式得到所需的电源电压。

总之，CAN总线接口电路的硬件设计需要考虑电气特性、线路传输、保护电路以及电源设计等方面的问题。合理的设计能够保证CAN总线通信的稳定性和可靠性，为系统的正常运行提供保障。