CAN总线远程传输可靠性的设计方法和实现

    现场总线能同时满足过程控制和制造业自动化的需求，成为工业数据总线领域最为活跃的技术之一。CAN(Controller Area Network，即控制器局域网)现场总线以其多主方式，报文自动过滤重发、极低的误码率和高通讯速率等特点，在各种低成本、高抗干扰的多机远程监控系统中得到广泛应用。
    CAN总线属于总线式带同步位的串行通信网络，由于采用了许多新技术以及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线在远距离数据通信上具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN的直接通信距离最远可达lOkm(通信速率5Kbps以下)，通信速率最高可达lMbps(通信距离最长40m)。但在实际的远程传输过程中，通信数据受许多因素的影响，致使传输的波形失真，达不到预期的效果。本文针对CAN总线远程传输的可靠性进行了设计与分析。

1 远程CAN总线传输可靠性的主要影响因素
    (1)工作环境电磁干扰的影响。
    (2)传输介质分布电容和电阻的影响。
    (3)远近端阻抗不匹配的影响。
    (4)接收同步位端的相位变化和幅值变化的影响。
    (5)传送波特率位时钟设计的影响。
    (6)没有发送和接收帧的节点之问高阻状态性的漏电对CAN总线的影响。
    (7)对总线短路和断路监测处理的影响。

2 远程CAN总线传输可靠性的设计方法
    系统运行在复杂的电磁空问里，有外界的各种电磁场变化，也有系统内部各个元器件之间的电磁干扰。尤其工作现场的电磁场环境是最容易干扰系统的可靠性。因此系统数据传输过程采用屏蔽双绞线，它综合了屏蔽线和双绞线两者的优点，是较理想的信号传输线，即可以抑制静电干扰，也可以抑制电磁感应干扰，从而提高系统的可靠性。
    元器件是构成系统的基础，选择集成化程度高，抗干扰能力强，功耗又小的电子元器件尤为重要。选择合适的MCU是CAN总线控制系统设计成功的关键。在综合比较了当前业界流行的几款MCU最终选择了Silicon Laboratories公司的C8051F040这款8位单片机作为CAN总线控制系统的控制核心。
    C8051F040(以下简称F040)单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与MCS一5l完全兼容的指令内核。由于采用了流水线处理技术，大大提高了指令执行效率。F040还采用了Flash ROM技术，集成了JTAG，实现了真正的在线编程和片上调试。它比SJAl000等片外CAN总线控制器具有更好的可靠性和集成度高的特点。F040的CAN控制器完全硬件化，解决了CPU与CAN,总线控制器之间的竞争矛盾。
    在主机CAN节点中，如图1所示，选择Silicon Laboratories公司的USB转UART桥接芯片CP2101，内部自带512B收发缓冲器，进一步从芯片本身上解决了数据冲突的问题。它还有300bps至921．6Kbps的波特率变化范围，满足高速通讯要求，外围电路十分简单；另外，CP2101还集成了5V转3V电压调节器，可以由USB总线来对整个主机节点供电，这样整个电路就只需一根USB连线即可实现与PC机通讯，无需额外电源，即插即用，十分方便。
    图1主机CAN节点的硬件连接图(参见下页)

ADuMl20l是ADI公司生产的隔离器，采用平面磁场专利隔离技术，取消了光电耦合器中的光电转换过程。因此ADuMl201具有优于光电隔离器的优点：速度更高(最高速率达到25 Mbps)、功耗更低(最小工作电流为0．8mA)、性能更高、体积更小、价格更便宜、应用更灵活(多通道数字隔离器能在同一芯片内提供发送和接收通道)。选择ADuMl201用来实现CAN控制器和CAN驱动器之问的电气隔离，增强系统的稳定性，提高了系统的抗干扰能力。
    为了进一步提高系统的远程通讯可靠性，选择TI公司生产的芯片SN65HVD251作为CAN总线收发器。SN65HVD251能以高达1Mbps的速度提供到总线的差动传输功能，以及到CAN控制器的差动接收功能。具有差分收发能力、高抗电磁干扰、超小封装、低功耗性能。与F040配合使用，可使外围电路更加简洁，如图2所示。