现场总线CANbus修订.docx
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现场总线CANbus修订
目录
第1章输入输出通道接口技术iv
1.1信号的隔离iv
1.1.1为什么需要隔离？
iv
1.1.2隔离电源模块v
1.1.3数字隔离器件v
1.2数字量输出电路vii
1.2.1非隔离型数字量输出电路vii
1.2.2隔离数字量输出电路vii
1.2.3继电器输出电路viii
1.2.4多通道数字量输出电路ix
1.2.5多通道隔离数字信号模块x
1.3数字量输入电路x
1.3.1非隔离数字量输入电路xi
1.3.2隔离数字量干节点输入电路xi
1.3.3隔离数字量湿节点输入电路xii
1.3.4干节点/湿节点二合一电路xii
1.3.5多通道数字量输入电路xiii
1.4防雷电路中的元器件xiv
1.4.1气体放电管xiv
1.4.2压敏电阻xv
1.4.3电压箝位型瞬态抑制二极管xv
1.4.4PTC热敏电阻xvi
1.4.5保险管、熔断器与空气开关xvi
1.4.6电感与电阻在浪涌保护中的作用xvii
1.5防雷电路实例分析xviii
1.5.1220VAC交流电源防雷保护xviii
1.5.2以太网防雷保护xix
1.5.3AI/DI输入端口防雷保护xx
第2章通信接口技术xxi
2.1RS-232串行通信接口xxi
2.1.1概述xxi
2.1.2接插件定义xxi
2.1.3电路设计xxiii
2.1.4PCB设计规范xxviii
2.2RS-422/485串行通信接口xxviii
2.2.1概述xxviii
2.2.2插接件定义xxix
2.2.3电路设计xxx
2.2.4设计注意事项xxxiv
第3章现场总线CAN-bus1
3.1概述1
3.1.1从“罐头”说起1
3.1.2通信的层次1
3.1.3什么是现场总线2
3.1.4CAN总线简介3
3.2CAN-bus物理层5
3.2.1CAN收发器与信号电平5
3.2.2接插件6
3.2.3线与原理6
3.2.4同步与填充位7
3.2.5传输速率与距离8
3.2.6终端电阻9
3.2.7物理层小结9
3.3CAN-bus数据链路层9
3.3.1CAN帧类型9
3.3.2数据帧10
3.3.3远程帧13
3.3.4错误帧13
3.3.5过载帧15
3.3.6帧间隔15
3.3.7小结15
3.4CAN-bus应用层16
第4章CAN应用模块设计19
4.1CAN网络及CAN节点19
4.1.1CAN节点硬件结构19
4.1.2CAN硬件驱动19
4.1.3应用层协议驱动20
4.1.4功能电路驱动20
4.1.5应用程序20
第5章CAN节点电路设计21
5.1CAN-bus节点电路组成21
5.2CAN控制器和收发器电路设计21
5.2.1CAN控制器SJA1000介绍21
5.2.2CAN收发器CTM8251简述25
5.2.3CAN控制器和收发器电路设计26
5.3MCU电路设计27
5.4功能电路设计28
5.5MCU与CAN控制器电路的连接29
5.5.1MCU和CAN控制器的引脚连接29
第6章CAN控制器驱动31
6.1SJA1000编程基础31
6.1.1MCU访问SJA100031
6.1.2读写寄存器32
6.1.3寄存器位操作32
6.1.4连续读写寄存器33
6.1.5精确延时34
6.2SJA1000硬件连接测试35
6.3SJA1000初始化38
6.3.1初始化流程38
6.3.2SJA1000初始化函数39
6.4发送CAN帧40
6.4.1发送流程40
6.4.2发送模式41
6.4.3SJA1000发送函数42
6.4.4测试例程43
6.5接收CAN帧46
6.5.1SJA1000接收报文处理流程46
6.5.2接收缓冲区47
6.5.1读取SJA1000报文流程48
6.5.2SJA1000接收函数48
6.5.3测试例程49
6.6验收滤波器52
6.6.1验收滤波器作用52
6.6.2SJA1000验收滤波器原理52
6.6.3SJA1000验收滤波器设置函数54
6.6.4测试例程55
6.7SJA1000中断57
6.7.1接收中断（RI）58
6.7.2数据溢出中断（DOI）58
6.7.3发送中断（TI）58
6.7.4状态相关中断58
6.7.5SJA1000中断处理流程59
6.8虚拟CAN驱动59
6.8.1虚拟CAN驱动接口60
6.8.2CAN报文结构60
附录ASJA1000寄存器定义61
A.1SJA1000寄存器定义头文件61
第1章输入输出通道接口技术
本章导读
《电子技术基础（模拟部分）》与《电子技术基础（数字部分）》的教学重在深入分析电路的原理和应用电路的设计，因此对于大一学生来说，本章的教学内容则是以如何使用基本的数字器件为主。
先将应用抓起来，以此为基点由浅入深，将难点一一分化瓦解，然后分阶段有针对性地从实践上升到复杂的理论。
当学生具备了一定的基础和兴趣之后，那么，对学生学习上述提到的三门主干课程则是非常有帮助的。
1.1信号的隔离
1.1.1为什么需要隔离？
图1.1执行器干扰示意图
在工业现场控制过程中，一个典型的控制系统包括控制器、执行器与传感器等部分。
在实际的电路中，控制器是通过电源接口、通信接口、数字量输入输出接口和模拟量输入输出接口与外界打交道的，由于控制器的工作电压低、噪声容限小，因此很容易被外来信号干扰，从而干扰系统的正常工作而产生误动作，甚至出现系统崩溃现象。
1．执行器的干扰与抑制
图1.2隔离驱动抑制传导干扰
工业控制场合执行器很多都是大功率设备。
如图1.1所示的执行器为电机，电机启动、停止和调速的过程都会产生大量的干扰。
干扰信号进入MCU的途径分为传导和辐射。
辐射干扰是环路1与环路2之间的耦合，耦合的电压直接加在了MCU的I/O口；而传导干扰则会通过阻抗较低的地线进入MCU。
减小辐射干扰的的措施是减小环路1与环路2的面积。
环路1的面积可以通过缩短走线距离来实现，而环路2的的走线距离一般是固定不能减少的，通过使用双绞线供电会达到良好的效果。
图1.3外界干扰路径
减小传导干扰的措施是切断干扰信号的传导路径，如图1.2所示使用隔离的驱动可以在根本上阻断传导干扰的信号路径，达到良好的抗干扰效果。
2．外界干扰及抑制
如图1.3所示在强电磁环境中，变电站、汽车、厂房等，外界干扰通过耦合在环路1中产生耦合电压，直接加在了MCU的引脚上。
有效减小外界干扰的办法是使用双绞线连接电路，并且尽量减小传感器引线距离。
这里引线距离一般情况也是减小不了的，使用如图1.4所示的隔离接口电路，可以十分有效的抑制这种干扰。
不管是差模还是共模都被有效的阻挡在隔离电路之前，在设计电路的时候注意减小环路2的面积。
就可以很好的达到抗干扰目的。
图1.4外界干扰的抑制
为降低用户设计复杂度，降低隔离电路设计门槛，广州致远电子有限公司推出了系列的隔离接口电路，包括普通数字接口隔离，I2C接口隔离、SPI接口隔离。
1.1.2隔离电源模块
数字信号隔离电路包括电源隔离与信号隔离，两者缺一不可。
如果仅对信号采取隔离措施，而对电源未采取隔离措施的话，那么因为电源的干扰从而也就失去了隔离的意义。
隔离电源模块属于一种特殊的电子元器件，起着隔离、能量传递与电源转换的作用。
图1.5自激推挽式隔离电源原理框图
常见的隔离电源模块转换效率很高（85%），几乎都采用标准的小型SIP与DIP封装，体积非常小巧，其外壳与材料符合UL94V-0标准。
而且根据需要可以提供单路或多路输出，能够适用不同的输入和输出电压电压要求，因此广泛应用在RS232、RS422/485与CAN-bus等要求隔离的通信接口中，以及大功率IGBT驱动与纯数字电路等场合。
其内部电路框图如图1.5所示，该系列模块采用双极型推挽振荡变换器输出方波，通过隔离变压器耦合到次级线圈，然后通过后级的二极管整流和电容的滤波，输出直流电压。
图1.6电源模块实物图
一般来说，这类隔离电源模块总是与光电耦合器件组合在一起用于通信端口与数据采集前端电源供电。
主要功率在3W以内为主，不适合输入电压变化范围大的场合，其主要起到隔离保护作用。
输入电压一般以5V、12、24V为主，输出电压分为3.3V、5V、9V、12V等，隔离电压分为1000V、3000V与6000V三个等级。
与此同时，在选择时必须考虑一定的功率余量，从而保证电源模块工作在最大功率在70%的满负载条件下。
如图1.6为定压隔离电源模块实物图，该模块最常用的型号如ZY0505BLS-1W，其隔离电压为1000VDC；ZY0505FKS-1W，其隔离电压为3000VDC。
单路输出电源模块详见表1.1。
表1.1定压隔离电源模块常用型号（1W）
产品系列号
输入电压（V）
输出电压（V）
效率（%）
隔离电压
ZY_BLS-1W
5,12,24
5,9,12,15
85
1000VDC
ZY_BS-1W
5,12,24
5,9,12,15
85
1000VDC
ZY_FKS-1W
5,12,24
5,9,12,15
85
3000VDC
ZY_BS-2W
5,12,24
5,9,12,15
85
1000VDC
ZY_HD-1W
5,12,24
5,9,12,15
85
6000VDC
1.1.3数字隔离器件
数字信号的隔离最常用的就是光电耦合器，随着科学技术的发展，电磁隔离与电容隔离器件则应运而生。
目前，最常见的光电耦合器有PC817（低速）与6N137（高速），电磁隔离技术是通过高频率调制与解调技术，将变压器与电容蚀刻在很小的硅片上而成的。
因此，电磁隔离与电容隔离器件体积可以做得很小，通讯波特率更高，比如，ADI半导体公司推出的ADUM3201高达25Mbps波特率，封装SO-8，含有2通道隔离，隔离电压可以高达2500VDC。
1．光电耦合器
图1.7TLP281内部框图
光耦合器（opticalcoupler）也叫光电隔离器或光电耦合器，简称光耦，它是以光为媒介来传输电信号的器件。
发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）被封装在同一管壳内，当在输入端施加电信号时，则发光器发出光线，受光器接受光线之后则产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。
以光为媒介将输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，由于具有体积小、寿命长与无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，因此光电耦合器在数字电路中获得了广泛的应用。
TLP281光耦原理框图详见图1.7。
长久以来光耦合技术一直用于工业网络，早期的电气层接口参考设计中通常包括光耦合器。
其主要优势是光耦具有抗外部电磁场干扰的固有特性，而且光耦合可实现稳态信息的传输。
不足之处在于传输速度有限、功耗大并且发光二极管（LED）易受时间及温度的影响而老化。
2．电感式隔离器
与光耦合一样，电感耦合也有较长的应用历史，但通常仅用于电源或模拟隔离器，而非数字器件。
但随着制造工艺的进步和研发设计水平的提高，电感式数字隔离器件得到了迅速的发展和广泛的运用。
图1.8ADUM1100内部框图
电感耦合使用不断变化的磁场来通过隔离层实现通信，电感耦合的优势之一是可以在不明显降低差模信号的情况下最小化变压器的共模噪声。
另一个优势是信号能量的转换效率极高，因而可以实现低功耗隔离器。
其缺点之一是易受外部磁场（噪声）的干扰。
与此同时，电感耦合另一个值得关注的问题是数字数据与数据游程长度（Datarun-length，连续“1”或“0”的数目）的传输。
初级绕组与次级绕组之间的耦合能够以可接受的衰减量传递一定频率范围的信号，数据游程长度的限制或时钟编码要求信号必须保持在变压器的可用带宽范围内。
使用电感耦合的通用数字隔离器需要对信号进行处理才能传输并重建数字信号，以及传输代表一长串“1”或“0”的低频信号，甚至直流电平。
常见的电磁隔离器件如ADI公司ADuM1100，原理框图详见图1.8。
3．电容式隔离器
图1.9ISO721内部框图
电容耦合使用不断变化的电场来通过隔离层实现信息传输，电容器极板之间的材料是电介质绝缘体（二氧化硅），即隔离层，这种高性能的绝缘体具有很稳定的可靠性和耐用性以及抗磁干扰能力和抗瞬态电压能力，电极板的大小、板间距离与电介质材料决定了电气特性。
采用电容隔离层的优势是效率高，无论在体积、能量转换还是在抗磁场干扰方面均如此。
这种高效特性使得实现低功耗与低成本的集成式隔离电路成为可能，抗干扰性则使得器件可以在饱和或密集磁场环境下工作。
与变压器不同的是，电容耦合的缺点在于无差分信号，并且噪声与信号共用同一条传输通道。
这就要求信号频率应远高于可能出现的噪声频率，以便使隔离层电容对信号呈现低阻抗而对噪声呈现高阻抗。
如同电感耦合一样，电容耦合也存在带宽限制，并需要时钟编码数据。
常见的电容隔离器件如TI公司的ISO721，其内部框图详见图1.9。
1.2数字量输出电路
在工业现场往往需要使用数字量信号来驱动外部的执行机构、显示灯等负载，数字量输出的含义是指这种类型的输出信号只有简单的两种状态：
不是高电平就是低电平，也可以理解为开（ON）或者关（OFF）两种状态。
对于工业现场所需要的数字量信号，也具有多种电压等级，这就需要通过不同的输出驱动电路来实现。
同时采用不同的输出器件可以使数字量输出信号具有不同的输出形式，如三极管输出，机械继电器输出、固态继电器输出、双向可控硅输出等。
根据输出信号与输出电路是否需要共地，可以采用非隔离或者隔离输出的方式，下面分别一一介绍。
在设计数字量输出电路时，必须根据输出信号的类型选用合适的电路，例如输出信号的电压等级，输出信号的负载能力，输出触点类型。
1.2.1非隔离型数字量输出电路
图1.10集电极开路输出电路
如图1.10所示为最常用的非隔离数字量输出电路为三极管集电极开路输出电路，三极管通常除了用作放大器，但是也可以用来作为有效开关。
三极管可以在基极电流的控制下完成截止状态和饱和状态之间的切换操作，并以此实现开关的功能。
注意：
集电极开路输出电路必须外接上拉电阻才能正常工作，当内部输出端DO为低电平时，则三极管Q1截止，DO_P引脚被上拉至高电平；当内部输出端DO为高电平，则三极管Q1导通。
如果基极电流足够大的话，则三极管将会达到饱和状态。
在理想状态下，集电极与地之间为短路状态。
一般来说，集电极与地之间的压降约为0.3V，因此在等效电路中，集电极的输出为零电压，DO_P引脚输出为低电平信号。
图1.11光耦隔离数字量输出电路
当将多个集电极开路输出电路并在一起时，则实现“线与”的功能，并且输出电压是由外接电源来决定的，但外接电源受到三极管额定VCEO的限制，比如，SS8050的额定VCEO为25V，所以外接电源的最大电压为25V。
1.2.2隔离数字量输出电路
“隔离型”数字量输出电路与“非隔离型”的主要区别在于输出信号是否与输出电路共用“信号地”，在隔离型输出电路中，由于增加了隔离电源模块和光耦隔离器件，因此可以实现信号的隔离输出，详见图1.11。
U1隔离电源模块隔离出两个不同的信号地GND和GND_1，DO_P、DO_N端分别为输出信号的正端和负端。
当内部输出端DO为高电平时，则输出回路的光电接收管不导通，此时三极管Q1的基极为高电平，即三极管Q1导通，如果基极电流足够大，则三极管将会达到饱和状态。
在理想情况下，集电极与地之间为短路状态。
一般来说，集电极与地之间的压降约为0.3V，因此在等效电路中，集电极的输出为零电压，DO_P引脚输出为低电平信号。
当内部输出端DO为低电平时，则输出回路光电接收管导通，此时三极管Q1的基极为低电平，即三极管Q1截止，DO_P引脚被上拉至高电平。
注意：
这里输出三极管对输出状态起到了反相的作用。
电路中使用的DC-DC隔离电源模块ZY0505BLS-1W的隔离电压为2000V，光电耦合器TCMT1107的隔离电压为2500V，因此可以适用于绝大多数严酷的工业场合。
图1.12磁耦隔离数字量输出电路
由于上述电路的最大输出频率只有10KHz，因此可以通过选用更小的电阻R1改善光耦的导通时间，并相应的减少R2电阻减少光耦的关断时间。
当R1和、R2分别为300Ω和1KΩ时，则上述电路的最大输出频率可以达到50KHz。
但是R1取值不能过小，因为DO端口直接连接到MCU，因为过小的电阻会导致灌电流过大，可能会烧毁MCU的管脚。
当输出频率超过100KHz的时，可以采用磁耦隔离器件来代替光耦隔离器件，磁耦隔离数字量输出电路详见图1.12。
由于SS8050三极管在输出频率提高时的退饱和时间过长，从而将会严重地影响输出信号，因此直接去掉了三极管采用磁耦器件输出。
该磁耦器件U2有两个输入端口DO1和DO2，当DO1或DO2超过U2高电压门限值时，则DO1_P或DO2_P输出高电平；当DO1或DO2低于U2的低电平门限值时，则DO1_P或DO2_P输出低电平。
上述电路中的DO1和DO2可以直接连接MCU的输出管脚，当MCU的输出电流为4mA的时，电路的最大输出频率可以达到10MHz。
1.2.3继电器输出电路
图1.13继电器等效示意图
上面提到的全是电压型数字量输出信号，但在很多的实际应用场合中，常常也需要无源触点型的输出信号，电磁继电器就是一种最常用的能够提供触点开关的器件。
电磁继电器是通过控制输入线圈的电流来完成内部机械开关的切换。
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
图1.14继电器输出电路
如图1.13所示为继电器等效示意图，PN侧是控制端，而ABC边是被控制侧。
当PN边的线圈通电后，将会对G处的簧片产生吸引力，从而使簧片切换到左侧，使得AC开关导通。
由图可以看到两边的线路只是通过磁场进行联系，并没有电联系，因此继电器输出同样是一种隔离型的开关信号输出。
根据电磁继电器的原理可以设计出如图1.14所示的继电器输出电路。
由于继电器的线圈一般需要较大的电流，因此输出端DO控制信号通过三极管Q1放大后驱动继电器的线圈。
当内部输出端DO为低电平时，三极管Q1截止，继电器的线圈没有电流，继电器的输出开关不动作。
内部输出端DO为高电平，三极管Q1导通，继电器的线圈有电流，使继电器的输出开关动作，完成输出的开关状态切换。
二极管D1作为续流二极管，给继电器线圈提供续流通道，避免由于三极管Q1由导通进入截止状态时，继电器线圈的感性特性对输出电路造成影响，甚至于损坏输出电路。
电路中使用的二极管D1必须要有很快速的导通和关断特性，因为当线圈断电时二极管还没有及时导通巨大的反向电动势就可能已经将外围电路损坏了，所以电路中使用了具有快速恢复特性的肖特基二极管起到了很好的保护作用。
1.2.4多通道数字量输出电路
上述电路都是单通道的数字量输出电路，但在实际的工业场合也会有多通道的数字量输出应用，如图1.15所示为一个8通道隔离数字量输出电路。
图1.158通道隔离数字量输出电路
MCU的输出信号D[7:
0]通过74LVC574调理后控制光耦的开关，光耦的输出信号直接连到ULN2803。
ULN2803内部集成了8个达林顿管每个通道可以输出最大200mA的电流，其输出方式为集电极开路，作为数字量方式输出的时候必须外接上拉电阻。
上述电路为8路的隔离数字量输出电路，如果不需要隔离的时候可以将光耦去掉，当需要高速隔离输出的时候可以采用磁耦代替光耦。
1.2.5多通道隔离数字信号模块
通过上述介绍的电路可以看出，使用分立器件构成的数字量输出电路，不仅器件多、占用PCB面积较大，而且多器件所带来的可靠性、加工的复杂度与后期的维护都将导致成本的增加，于是2路、4路和8路多通道隔离数字信号模块应运而生，详见表1.2。
表1.2多通道隔离数字信号模块
产品系列号
输入电压（V）
隔离电压（VDC）
通道数目
波特率（bps）
备注
IDP1202LD
4.75-5.25
2500
2
9600
低速
IDP1202HD
4.75-5.25
2500
2
1M
高速
IDP1404LD
4.75-5.25
2500
4
9600
低速
IDP1404HD
4.75-5.25
2500
4
1M
高速
IDP1808LD
4.75-5.25
2500
8
9600
低速
IDP1808HD
4.75-5.25
2500
8
1M
高速
图1.16IDP1202HD数字隔离输出电路
现以IDP1202HD为例来介绍信号模块特性，它的内部集成了电源隔离与信号隔离功能部件，1W的隔离电源可给外部电路供电，信号传输速度高达1Mbps（NRZ），隔离耐压高达2500VDC，工作温度范围在-40℃~+85℃，主要应用于I/O口隔离，时钟信号隔离，数字信号隔离等场合。
如图1.6所示是使用隔离数字信号模块组成的输出电路，其提供了两路隔离电机控制电路，可以直接驱动三级管，D1、D2为继电器续流电路，防止继电器关断时产生的高压烧毁三极管，通过IDP1202HD的隔离可以有效地抑制电机及继电器开关对MCU的干扰。
1.3数字量输入电路
图1.17数字量输入信号分类
数字量输入信号是工业现场最常见的信号之一，数字量输入信号可以分为“电压型数字量信号”和“无源触点型数字量信号”又称“湿节点数字量信号”和“干节点数字量信号”，详见图1.17。
电压型数字量信号一般为传感器的输出信号，例如接近开关的输出；无源触点型信号一般为继电器的输出、按钮开关输出等。
常见的电压型数字量输入信号按照电压等级可以划分为：
直流5V、12V、24V、48V。
因此在处理开关量输入信号时，需要根据电压等级采用合适的电路进行处理，例如如果输入信号电压等级较高则需要进行变换后，再通过输入电路进行采集。
数字量输入信号逻辑定义详见表1.3。
对于不同电压等级的数字量信号，其高、低电平范围一般是不同的，需要根据具体情况进行规定。
表1.3数字量输入信号逻辑定义
输入信号类型
信号定义
电压型
数字量信号
高电平信号
状态1
低电平信号
状态0
无源触点型
数字量信号
开
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