Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2018
Lou Frenzel
Electronic Design
Используемые во многих системах для коммуникационных целей интерфейсы CAN уязвимы для высоковольтных бросков напряжения. Однако некоторые устройства могут помочь защититься от этих проблем.
CAN (Controller Area Network – сеть контроллеров) – это очень популярная последовательная шина, широко используемая в автомобилях, средствах промышленной автоматизации и других промышленных приложениях. Более новая усовершенствованная версия, названная CAN-FD (гибкая скорость передачи данных), обеспечивает более высокие скорости и другие улучшения.
Как обнаружили многие разработчики, CAN часто требует электрической изоляции между узлами и защиты от высоковольтных выбросов, которые регулярно происходят в автомобильном и промышленном оборудовании. Некоторые из недавно анонсированных приемопередатчиков CAN теперь поддерживают последнюю спецификацию CAN-FD, и, кроме того, имеют необходимую изоляцию. Решения для защиты могут также быть основаны на внешних дискретных компонентах, подключаемых к шине.
Знакомство с CAN
CAN – это стандарт последовательного интерфейса, разработанный компанией Robert Bosch и одобренный Собществом автомобильных инженеров (SAE) еще в 1980-х годах. С тех пор, благодаря своей гибкости и надежности, он стал широко использоваться в транспортных средствах и многих промышленных приложениях. Топология интерфейса представляет собой дифференциальную шину с экранированной или неэкранированной витой парой, к которой может быть подключено до 127 узлов. Все узлы являются приемопередатчиками, способными посылать и получать данные. Выпускаются стандартные микросхемы приемопередатчиков, но многие микроконтроллеры имеют интегрированный интерфейс CAN (Рисунок 1).
 |
||
| Рисунок 1. | Топология шины CAN, к которой подключены микроконтроллер с интерфейсом CAN и другие приемопередающие узлы. |
|
Данные передаются кадрами, состоящими из 8 байт данных, адресного поля, поля контрольной суммы CRC и других служебных полей. Скорость передачи данных не фиксирована и, начинаясь с 5 кбит/с, может достигать 1 Мбит/с. Максимальная длина шины при скорости 1 Мбит/с равна 40 м. Используется множественный доступ к шине с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD). CAN имеет ряд разновидностей, таких как CAN-FD, CANopen и SAE J1939. Используются также обозначения ISO-11898 и ISO-11519, присвоенные Международной организацией по стандартизации (ISO).
CAN-FD (ISO-11898-1) – это новейшая версия, которая увеличивает скорость передачи данных до 5 Мбит/с и выше, что делает систему более адаптированной к приложениям реального времени, требующим более низкой задержки и большего детерминизма. Кадр большего размера теперь вмещает 64 байта данных.
Необходимость изоляции
Помимо широкого распространения в автомобильных приложениях, интерфейс CAN используется в системах промышленной автоматизации, драйверах двигателей переменного и постоянного тока, каналах обмена ПЛК, источниках питания телекоммуникационного оборудования, системах отопления и кондиционирования, лифтах, солнечных инверторах и зарядных станциях электрических автомобилей. В некоторых случаях в оборудовании имеются низко- и высоковольтные сегменты, которые должны быть изолированы друг от друга, чтобы защитить низковольтные компоненты от повреждения.
Высоковольтные двигатели, коммутаторы, источники питания и другое оборудование могут генерировать помехи амплитудой в сотни и тысячи вольт. Высоковольтный сигнал, попадающий в низковольтную подсистему, потенциально может уничтожить микроконтроллер. Способом решения этой проблемы является использование изолированных приемопередатчиков и отдельных источников питания с их собственными возвратными землями.
Изоляция
В современных системах CAN необходимо изолировать как сигналы, так и питание. Изоляция реализуется в приемопередатчике, но ее эффект пропадет, если блоки питания по разные стороны изолирующего барьера будут просто соединены друг с другом.
Во многих новых приемопередатчиках CAN используется емкостная изоляция между входами и выходами данных и цепями подключения шины. Два слоя двуокиси кремния образуют два последовательно соединенных конденсатора, через которые передаются данные между схемами, расположенными на двух разных кристаллах, соединенных внутри корпуса.
Примером может служить ISO1042 – выпущенный компанией Texas Instruments новый изолированный приемопередатчик CAN, обеспечивающий емкостную изоляцию и защиту практически любых промышленных и автомобильных конструкций. Устройство, отвечающее требованиям стандартов физического уровня ISO 11898-2 и ISO 11898-5, поддерживает стандарты CAN до 1 Мбит/с и CAN-FD до 5 Мбит/с. Защита шины выдерживает напряжения ±70 В и синфазные напряжения ±30 В. Диапазон напряжений питания составляет от 1.7 В до 5.5 В. Поддерживаются логические уровни 1.8, 2.5, 3.3 и 5.0 В. Микросхема ISO1042 выпускается в корпусах SOIC-8 или SOIC-16.
Реализация разделенного источника обеспечивает дополнительный уровень изоляции. Один из подходов с использованием устройства Texas Instruments показан на Рисунке 2. Микросхема генератора/драйвера SN6505 формирует 100-килогерцовый сигнал для трансформатора, выходное напряжение которого, преобразованное до требуемого уровня, затем выпрямляется и фильтруется. Трансформатор обеспечивает необходимую изоляцию питания. Отфильтрованное напряжение стабилизируется LDO регулятором (таким, скажем, как TPS76350) и питает приемопередатчик CAN. Узловые приемопередатчики и выводы интерфейса CAN микроконтроллера подключаются к шине через дифференциальные линии CANL и CANH.
 |
||
| Рисунок 2. | Так выглядит изолированный узел CAN с изолированным источником питания и изолированным приемопередатчиком. |
|
Для упрощения процесса проектирования изолированных подсистем CAN и изоляции сигналов и питания CAN выпускаются различные устройства, как дискретные, так и интегральные.
Защита шины CAN
Изолированные системы обеспечивают нормальную защиту микросхем. Однако в некоторых условиях могут возникать проблемы электростатических разрядов (ESD), высокий уровень которых способен повредить приемопередатчик. По этой причине шина должна быть каким-то образом защищена. При этом крайне важно, чтобы выбранное устройство защиты интерфейса было совместимо с приемопередатчиком.
Наилучшим решением для защиты является использование супрессоров (TVS-диодов), подключенных между каждой линией шины и землей (Рисунок 2). Эти диоды фактически представляют собой два встречно включенных стабилитрона с высоким пробивным напряжением. Максимально допустимое напряжение на выводах приемопередатчиков зависит от типа микросхемы.
Приемопередатчик ISO105 компании TI выдерживает напряжения в диапазоне от −27 В до +40 В. ISO1042 рассчитан на броски напряжения до ±70 В. Максимальное пробивное напряжение супрессоров должно быть меньше этих значений, но больше рабочего напряжения сигналов на шине. Обычно два логических уровня шины составляют менее половины напряжения питания «0» и напряжения питания «1».
Не забывайте, что добавление TVS-диодов обеспечивает защиту от ESD, но одновременно добавляет к шине емкость, ограничивающую верхние скорости передачи данных. Необходимо, чтобы дополнительная емкость была меньше 50 пФ.
Купить ISO1042 на РадиоЛоцман.Цены
