汽车辅助系统CAN总线接口电路设计

　　总体方案设计

　　CAN 总线接口电路主要包括：单片机、控制器接口、总线收发器和看门狗电路等。采用Philips公司生产的SJA1000控制器和与其配套的 82C250CAN收发器。按照CAN总线物理层协议选择总线介质，设计布线方案，连接成CAN网络。双绞屏蔽线可设两套，在两套介质上同时进行信息传输，接收方只用一个介质。在冗余和非冗余段的连接临界点处进行总线切换。

　　硬件电路的设计主要是CAN 通信控制器与微处理器之间和CAN总线收发器与物理总线之间的接口电路的设计。CAN通信控制器是CAN总线接口电路的核心，主要完成CAN的通信协议，而CAN总线收发器的主要功能是增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰（RFI），实现热防护等。看门狗电路主要是实现对电路的监控和复位作用。

　　目前广泛流行的CAN总线器件有两大类：一类是独立的CAN控制器，如82C200、SJA1000及 Intel82526/82527等，另一类是带有在片CAN的微控制器，如P8XC582及16位微控制器87C196CA/CB等。本课题选取 PHILIPS公司的SJA1000 CAN控制器以及82C250总线收发器，主要是考虑到SJA1000支持CAN 2.0A/B规约。而82C250可以支持110个CAN节点，并且国内市场上PHILIPS的产品型号比较多，购买比较方便。

　　单片机最小系统

　　本设计中，应用到单片机为ATMEL公司51系列的89C51，该型号的单片机应用广泛，技术成熟，市场上价格便宜，而且在学习中所学到的多为该型号，在本次设计中是首选的芯片。89C51单片机作为系统的核心控制部分，但在本设计中不是重点讲解内容，其相关技术应用和引脚特点功能等，可参照其他相关资料。设计的电路原理方框大致如下图所示。设计中为避免出现时钟信号的冲突，对单片机的外接晶振引脚XTAL1、XTAL2不接上外围电路，而是通过控制器SJA1000的时钟信号脚反馈给单片机。同时，对单片机的复位信号处理，RST引脚接上X5045P的RST脚，复位信号可由X5045P输出，在X5045P芯片看门狗外围电路的作用下，减少了以往由电阻、电容组成的简易复位电路造成的不精确、延时高等不良作用，使单片机回复到初始状态，完成复位操作。由于在该电路中要用到单片机的存储作用，存储由SJA1000传输过来的处理数据。因此，脚/EA接上高电平，选用片内ROM。对ALE脚，也即地址锁存有效信号除数端是和控制器 SJA1000的ALE脚接通。

　　图2-2 单片机最小系统

　　基于SJA1000的控制电路设计

　　控制器SJA1000作为本接口电路中的控制部分，应用本设计中，对于SJA1000和单片机的连接，引脚AD0~AD7是和89C51的输出输入脚 P0.0～P0.7相接；SJA1000的片选信号脚/CS必须由微控制器的P2.7口控制否则这个片选输入必须接到VSS 也可以通过地址解码控制例如当地址/数据总线用于其他外围器件，ALE对应ALE，读/写输入脚/WR、/RD，/INT和单片机的/INT0连接，由于在该系统中要用到相同的时钟频率，所以我们要时钟信号引脚CLKOUT和单片机的XTAL1脚相连，达到频率一致的目的；而在复位信号的处理，可以在看门狗外围电路的RST信号输出后再通过和非门电路的相连，很好的实现了电路的复位作用。而对于控制器的收发引脚TX0，TX1与RX0，RX1，在本系统中 TX0、RX0可和收发器82C250的TXD、RXD接通。同时，在和CPU接口中SJA1000 支持对两个著名的微型控制器系列的直接连接80C51 、68xx 。通过SJA1000 的MODE 引脚可选择接口模式Intel 模式 MODE 高；Motorola 模式 MODE 低。在Intel 模式和Motorola 模式里地址/数据总线和读/写控制信号的连接。本设计中，正是使用Intel模式。对SJA1000的Vdd1～Vdd3电源输入脚，外接上驱动+5V电压；而Vss1～Vss3输出接地。设计中，对SJA1000提供16Mkz的晶振。[page]

　　图2-4 SJA1000控制电路

　　基于82C250收发电路设计

　　82C250是CAN控制器与物理总线间的接口，可以提供对总线的差动发送和接收能力，与IS011898标准完全兼容，并具有抗汽车环境下的瞬间干扰、保护总线的能力。设计中，收发器的接受、发送脚原理上要和SJA1000的发送、接受脚相连接。但这样一来，两者的电气不一致，造成电气隔离，给通信带来麻烦。为此，在它们之间接上高速光耦合器6N137，避开了电气隔离，更好的实现通信联系。82C250的TXD、RXT就对应接上6N137的输出脚OUT和输入脚 IN；脚Rs作为斜率控制电阻输入端，电阻的大小可以割据总线通信速度适当调整一般在16～140KΩ之间，设计中Rs阻值为47KΩ。在通过接一个 47K电阻分流之后，可以接地。电压引脚Vcc，其电源电压：4.5V〈 Vcc〈 5.5V，在设计中采用5V电压。Vref作为基准电压输出端，设计中可以接地。而CANH，CANL脚是信号的输入输出，实现对电平信号的传送，通过它们连接上双绞线，完成通信传输。

　　基于X5045P的电路设计

　　X5045P在本设计中做为复位、监控电路使用，虽然增加了电路连接的复杂和成本，但对于电路的稳定和可靠性有起到很大的作用，是系统中不可缺少的部分。对X5045的操作是通过4根口线CS、SCK、SI和SO进行同步串行通信来完成的。SCK是外部输入的同步时钟信号。在对芯片定改指令或数据时，时钟前沿将SI引脚信号输入；在读邮数据时，时钟后沿将数据位输出到SO引脚上。数据的输入/输出都是高位在先。在设计中，/CS脚和单片机P1.0、 SI、 SCK、SO、RST分别与单片机的引脚P1.0~P1.3、RST连接。对于不用到的引脚，可以直接和地相连。电路设计如下：

　　图2-10 X5045P电路监控、复位电路

　　电源电路设计

　　设计中，对系统的电源都一致采用DC+5V电压，光耦部分电路所采用的两个电源Vcc和Vdd必须完全隔离。为此，设计电源如下所示：[page]

　　图2-11 电源电路

　　它由AH805升压模块及FP106升压模块组成。AH805是一种输入1.2～3V，输出5V的升压模块，在3V电池供电时可输出100mA电流。 FP106是贴片式升压模块，输入4～6V，输出固定电压为29±1V，输出电流可达40mA，AH805及FP106都是一个电平控制的关闭电源控制端。两节1.5V碱性电池输出的3V电压输入AH805，AH805输出+5V电压，其一路作5V输出，另一路输入FP106使其产生28～30V电压，经稳压管稳压后输出+12V电压。从图中可以看出，只要改变稳压管的稳压值，即可获得不同的输出电压，使用十分灵活。FP106的第⑤脚为控制电源关闭端，在关闭电源时，耗电几乎为零，当第⑤脚加高电平2.5V时，电源导通；当第⑤脚加低电平0.4V时，电源被关闭。可以用电路来控制或手动控制，若不需控制时，第⑤脚与第⑧脚连接。

　　接口电路总体电路原理图

　　在本电路原理中，控制单元以单片机AT89C51为核心，选用器件SJA1000作为CAN控制器，并选用芯片82C250和6N137、X5045P作为CAN控制器接口和光耦合隔离、复位电路。在实际中，应注意以下几个问题

　　1. SJA1000的中断请求信号INT在中断允许且有中断发生时，由高电来此跳变到低电平，所以INT和AT0C51的INT0直接相连。片选信号CS和单片机引脚P2.7相连，当CS接到低电平时，SJA1000被选中，CPU可对SJA1000进行读/写操作。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力。 SJA1000的TX1脚悬空，RX1引脚的电位必须维持在约0.5VCC上，否则，将不能形成CAN协议要求的电平逻辑。

　　2. SJA1000的TxD和RxD并不是直接与82C250的TxD和RxD相连而是通过高速光耦合6N137后与82C250相连，这样就可以很好的实现了总线上个CAN节点的电气隔离，不过应该特别说明一点的是光耦部分电路所采用的两个电源Vcc和Vdd必须完全隔离，否则采用光耦也就失去了意思。电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块或带多5V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，保护 CAN控制器正常工作。

　　现场总线标准及其技术日益成为国际自动控制领域关注的一大焦点，其原因是它改变了传统控制系统的结构，形成了全新的网络集成分布式控制系统。在我国，现场总线已经发展到推广应用阶段，中国已经成为各种现场总线激烈争夺的重要战场。因此研究现场总线技术及其产品就显得尤为重要。本文正是基于控制器 SJA1000和82C250收发器的基础上，外接上看门狗电路芯片X5045P及高速光耦合器6N137，设计CAN总线接口电路，该电路理论上很好的实现了设计原理要求。该设计简单明了，在电路实现时，还需考虑各模块间的接地、屏蔽等诸多问题。PCA82C250提供对物理总线的符合CAN电气协议的差动发送和接收功能，另外，它具有的电流限制电路，还提供了对总线的进一步的保护功能。通过 82C250与物理总线进行连接，可使总线支持多达110个节点的挂接。对于CAN控制器及带有CAN总线接口的器件，82C250并不是必须使用的器件，因为多数CAN控制器均具有配置灵活的收发接口并允许总线故障，只是驱动能力一般只允许20～30个节点连接在一条总线上。