CAN you do it? CAN-трансиверы от ON Semiconductor

16 апреля 2012

Стандарт промышленной сети CAN (Controller Area Network) предназначен для объединения в общую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Благодаря невысокой стоимости и очень высокой надежности интерфейс получил широкое применение в промышленности, энергетике и на транспорте, позволяя создавать дешевые высокопроизводительные многоточечные сети. Добавление новых устройств не требует изменения уже существующей сети.

CAN был разработан компанией Robert Bosch GmbH в середине 1980-х. Стандарт определяет передачу данных в отрыве от физической линии — она может быть любой, например, радиоканалом или оптоволокном. Но на практике обычно используется витая пара (экранированная или неэкранированная) и общий провод. Плоская пара (телефонный тип кабеля) также работает хорошо, но более чувствительна к внешним источникам шума.

Одним из ключевых узлов при организации CAN-шины является трансивер, поскольку именно от него зависит скорость и дальность передачи данных, общая устойчивость шины к помехам и максимальное количество устройств в сети.

Одним из лидеров на рынке CAN-трансиверов является компания ON Semiconductor. В таблице 1 представлены разновидности CAN-трансиверов, выпускаемых компанией.

Таблица 1. CAN-трансиверы компании ON Semiconductor  

Наименование Описание Кол-во
приемопередатчиков
Макс. скорость
передачи, кбит/с
Напряжение
питания, В
Корпус
AMIS-30660 Высокоскоростной CAN-трансивер 1 1000 4,75…5,25 SOIC-8
AMIS-30663 Высокоскоростной CAN-трансивер 1 1000 4,75…5,25 SOIC-8
AMIS-41682 Отказоустойчивый CAN-трансивер 1 125 4,75…5,25 SOIC-14
AMIS-41683 Отказоустойчивый CAN-трансивер 1 125 4,75…5,25 SOIC-14
AMIS-42665 Высокоскоростной маломощный
CAN-трансивер
1 1000 4,75…5,25 SOIC-8
AMIS-42670 Высокоскоростной CAN-трансивер для длинных линий связи 1 1000 4,75…5,25 SOIC-8
AMIS-42671 Высокоскоростной CAN-трансивер для длинных линий связи 1 1000 4,75…5,25 SOIC-8
AMIS-42673 Высокоскоростной CAN-трансивер для длинных линий связи 1 1000 4,75…5,25 SOIC-8
AMIS-42675 Высокоскоростной маломощный
CAN-трансивер
1 1000 4,75…5,25 SOIC-8
AMIS-42700 Двухканальный высокоскоростной
CAN-трансивер
2 1000 4,75…5,25 SOIC-20W
AMIS-42770 Двухканальный высокоскоростной CAN-трансивер для длинных линий связи 2 1000 4,75…5,25 SOIC-20W
NCV7340 Высокоскоростной маломощный
CAN-трансивер
1 1000 4,75…5,25 SOIC-8
NCV7341 Высокоскоростной маломощный
CAN-трансивер
1 1000 4,75…5,25 SOIC-14
NCV7356 Однопроводный CAN-трансивер 1 100 5…27 SOIC-14, SOIC-8
NCV7441 Сдвоенный высокоскоростной маломощный CAN-трансивер 2 1000 4,75…5,25 SOIC-14

 

Высокоскоростные приемопередатчики
AMIS-30660, AMIS-30663

Приемопередатчики AMIS-30660 и AMIS-30663 являются классическими вариантами CAN-трансиверов для обеспечения связи по CAN-шине без каких-либо дополнительных функций.

Структурная схема трансивера AMIS-30660 представлена на рисунке 1.

 

Структурная схема трансивера AMIS-30660

 

Рис. 1. Структурная схема трансивера AMIS-30660

Прием данных осуществляется через приемный тракт. Он содержит компаратор (Comp), обеспечивающий распознавание доминантного и рецессивного состояний CAN-шины, и формирователь цифрового сигнала RxD.

Передача происходит через передающий тракт, содержащий таймер (Timer), схему задания крутизны сигнала, узел управления передатчиком (Driver control), выходную схему на полевых транзисторах и схему температурной защиты (Thermal shutdown).

Таймер предназначен для ограничения продолжительности доминантного состояния, защищая CAN-шину от возможных сбоев CAN-контроллера.

Формирователь фронтов ограничивает скорость их нарастания, снижая электромагнитное излучение, и позволяет отказаться от внешних синфазных дросселей.

Узел управления передатчиком осуществляет управление двумя полевыми транзисторами, формирующими состояние на линиях CAN-H и CAN-L. В доминантном состоянии оба транзистора открыты, обеспечивая на линии CAN-H высокий, а на линии CAN-L — низкий уровень.

Схема температурной защиты предохраняет микросхему от выхода из строя, отключая передатчик, если температура превышает значения порядка 160°C. Это приводит к снижению рассеиваемой мощности и уменьшению температуры кристалла. Все другие функции трансивера при этом продолжают работать. При падении температуры работоспособность микросхемы восстанавливается. Схема тепловой защиты необходима для того, чтобы избежать выхода микросхемы из строя при наличии короткого замыкания на линиях шины.

Трансивер поддерживает работу в режиме молчания. Переход в этот режим осуществляется через подачу на вход S (Silent) логического сигнала высокого уровня. При этом происходит отключение передатчика трансивера, а все остальные функции сохраняются.

Приемопередатчик AMIS-30663 отличается от AMIS-30660 тем, что имеет вторичный источник питания, используемый для создания совместимости с трехвольтовой логикой.

Трансивер AMIS-30660 работает только с пятивольтовыми логическими уровнями.

 

Отказоустойчивые приемопередатчики
AMIS-41682 и AMIS-41683

Отказоустойчивые приемопередатчики AMIS-41682 и AMIS-41683 позволяют определить нештатное состояние линий и произвести необходимую перестройку, которая защитит исправные микросхемы приемопередатчиков и позволит осуществлять обмен по сети в изменившихся условиях.

Для продолжения обмена приемопередатчикам достаточно наличия одной исправной линии CAN-H или CAN-L.

Определяются следующие нештатные ситуации:

  • Обрыв линии CAN-H или CAN-L;
  • Короткое замыкание линии CAN-H или CAN-L на сеть аккумулятора;
  • Короткое замыкание линии CAN-H или CAN-L на «землю»;
  • Короткое замыкание линии CAN-H или CAN-L на питание VСС;
  • Короткое замыкание линий CAN-H и CAN-L между собой.

Отказоустойчивые приемопередатчики имеют некоторые ограничения по сравнению с обычными: максимальная скорость передачи ограничена 125 кбит/с, а небольшая нагрузочная способность позволяет работать только с 32 устройствами на шине.

Приемопередатчики AMIS-41682 и AMIS-41683 являются идентичными за исключением уровней логических цифровых сигналов связи с CAN-контроллером (5 и 3,3 В соответственно).

 

Высокоскоростные приемопередатчики для длинных линий связи AMIS-42670, AMIS-42671, AMIS-42673

Приемопередатчики AMIS-42670, AMIS-42671 и AMIS-42673 позиционируются компанией ON Semiconductor как CAN-трансиверы для работы с сетями большой протяженности (порядка 1000 м). На таких больших расстояниях скорость обмена не должна быть очень высокой: рекомендуется скорость 100 кбит/с и ниже. Данные CAN-трансиверы поддерживают очень широкий диапазон скоростей передачи данных по шине связи: практически от 0 кбит/с и до 1 Мбит/с. Совместимы с 3-вольтовой логикой.

Следует отдельно отметить приемопередатчик AMIS-42671, поддерживающий автоматическое определение скорости передачи данных по шине CAN. Для этого на трансивере предусмотрен дополнительный вход AUTB (Autobaud) , управляемый с CAN-контроллера. Высокий логический уровень на входе AUTB переводит приемопередатчик в режим автоматического определения скорости. Происходит отключение передатчика, а приемник продолжает работать: вход TxD подключается к выходу RxD (рисунок 2).

 

Схема реализации функции автоматического определения скорости

 

Рис. 2. Схема реализации функции автоматического определения скорости

 

В таком режиме CAN-контроллер получает возможность прослушивать сеть: если он примет пакет на скорости, отличной от его собственной, то автоматически формируется пакет ошибки, который поступит в контроллер. Перебирая все различные скорости, можно определить действующую скорость работы шины и подстроиться под нее.

 

Высокоскоростные маломощные
приемопередатчики NCV7340, NCV7341, AMIS-42665, AMIS-42675

Приемопередатчики NCV7340, NCV7341, AMIS-42665 и AMIS-42675 позиционируются как маломощные CAN-трансиверы.

Наиболее интересным с точки зрения гибкости управления электропитанием является приемопередатчик NCV7341. Он поддерживает несколько режимов работы:

  • Нормальный режим (Normal Mode): CAN-контроллер может получать и отправлять данные через CAN-шину в штатном режиме работы. Потребление в доминантном состоянии около 50мA.
  • Режим приемника (Receive-Only Mode): CAN-передатчик отключается. Потребление падает до 15мкA. Контроллер продолжает получать данные через приемник.
  • Режим ожидания (Standby Mode): Это низкопотребляющий режим работы микросхемы. Потребление около 25мкA. Приемник и передатчик отключаются. За активностью шины продолжает следить маломощный дифференциальный приемник. Запрос на пробуждение генерируется через СAN-шину или ножки микросхемы.
  • Режим перехода в режим сна (Go-To-Sleep Mode): Режим является промежуточным состоянием и используется для управляемого перевода трансивера в спящий режим. Трансивер переводится в этот режим CAN-контроллером через подачу управляющих сигналов на ножки микросхемы. Если это состояние сохраняется определенное время и не происходит пробуждающих событий, то микросхема переходит в режим «Sleep mode». Поведение трансивера в режиме «Go-To-Sleep Mode» аналогично режиму «Standby Mode». Потребление порядка 25мкA.
  • Режим сна (SLEEP Mode): Это низкопотребляющий режим работы микросхемы (потребление порядка 20мкA), в котором потребление еще более низкое, чем в режиме «Standby Mode». Переход в этот режим осуществляется через режим «Go-To-Sleep Mode» либо через понижение напряжения на микросхеме ниже граничного значения на определенное время. Поведение трансивера аналогично режиму «Standby Mode» за исключением того, что он может отключить внешние стабилизаторы напряжения (питающие другие элементы схемы). Запрос на пробуждение генерируется через СAN-шину или ножки микросхемы.

Приемопередатчики NCV7340, AMIS-42665 и AMIS-42675 предоставляют только два режима работы: «Normal Mode» и «Standby Mode». Потребление в режиме «Standby Mode» составляет порядка 10 мкA.

Все приемопередатчики имеют дополнительный внутренний источник, предназначенный для выравнивания потенциалов на CAN-шине (VSPLIT), что позволяет значительно сократить на ней уровень электромагнитного излучения.

Приемопередатчики NCV7340, AMIS-42665 и AMIS-42675 совместимы с трехвольтовой логикой.

 

Однопроводный приемопередатчик NCV7356

Однопроводный приемопередатчик NCV7356 работает по одному неэкранированному проводнику в соответствии со стандартом SAE J2411. Это позволяет получить минимальную себестоимость системы, принося в жертву скорость обмена и помехоустойчивость. При нормальном режиме работы скорость ограничивается 33 кбит/с. В высокоскоростном режиме достигается скорость 100 кбит/с, но при этом происходит отключение схемы управления формой выходного сигнала. Приемопередатчик совместим с трехвольтовой логикой.

 

Двухканальные приемопередатчики AMIS-42700 и AMIS-42770

Особенность этих трансиверов — наличие в одном корпусе двух одинаковых приемопередатчиков, предназначенных для подключения одного CAN-контроллера к двум CAN-шинам.

Такой вариант включения позволяет создавать системы с резервированием или использовать один микроконтроллер для доступа к двум различным сетям (поочередно). Одновременная работа двух сетей крайне нежелательна, поскольку различные сети имеют различное состояние.

Выбор рабочей сети осуществляется с микроконтроллера через два дискретных сигнала EN1 и EN2 (рисунок 3), разрешающих доступ к первой и второй шинам, соответственно. Данные поступают через каналы Rx0 и Tx0.

 

Схема включения трансивера AMIS-42770

 

Рис. 3. Схема включения трансивера AMIS-42770

 

Другое возможное применение — создание шинного повторителя (ретранслятора) (рисунок 4).

 

Шинный повторитель на трансивере AMIS-42770

 

Рис. 4. Шинный повторитель на трансивере AMIS-42770

При отсутствии подключения к внешним выводам Rx0 и Tx0 происходит внутренняя коммутация первого и второго каналов. Данные с первого канала поступает на второй, а со второго — на первый.

 

Сдвоенный приемопередатчик NCV7441

Приемопередатчик NCV7441 является новинкой в линейке микросхем CAN-интерфейса компании ON Semiconductor.

NCV7441 (рисунок 5) содержит в одном корпусе два полностью независимых высокоскоростных приемопередатчика CAN-интерфейса, которые можно индивидуально подключить к двум различным CAN-контроллерам.

 

Структурная схема трансивера NCV-7441

 

Рис. 5. Структурная схема трансивера NCV-7441

Каждый канал независимо другого канала может работать в нормальном или ждущем режиме, выход из которого осуществляется по сигналу на шине данных. В ждущем режиме происходит выключение передатчика, и ток потребления канала уменьшается. Рабочим остается только низкопотребляющий приемник. При нахождении обоих каналов в ждущем режиме потребление падает до 20 мкA.

Эти особенности трансивера позволяют снизить общее потребление схемы, уменьшить стоимость и физические размеры решения путем замены двух одноканальных CAN-приемопередатчиков на один сдвоенный трансивер.

Схема мониторинга питания (Supply Monitor) осуществляет наблюдение за напряжением питания микросхемы. Если питающее напряжение падает до уровня меньше 3,5 В, то происходит блокировка работы приемопередатчика.

Схема температурной защиты предохраняет микросхему от выхода из строя, отключая передатчик, если температура превышает критическое для микросхемы значение.

NCV7441 может работать на скоростях до1 Мбит/с, поддерживает стандарты ISO 11898 Standard (ISO 11898-2, ISO11898-5 и SAE J2284). Уровень защиты от электростатических разрядов: ±10 кВ. Диапазон рабочих температур от — 40 до 125°С.

Типичный вариант подключения микросхемы к двум независимым CAN-контроллерам представлен на рисунке 6.

 

Схема включения трансивера NCV-7441

 

Рис. 6. Схема включения трансивера NCV-7441

 

Заключение

Компания ON Semiconductor имеет в своем арсенале довольно большой набор приемопередатчиков для построения CAN-сетей и может удовлетворить практически любым требованиям разработчиков. Линейка содержит как самые простые трансиверы, так и сложные многофункциональные микросхемы с уникальными возможностями. Вне зависимости от того, какой трансивер выберет разработчик, он может быть уверен, что получит качественное изделие по привлекательной цене.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: analog.vesti@compel.ru

 

 

 

 

•••

Наши информационные каналы