Приемопередатчики для сетей CAN-bus

   Сеть промышленного назначения CAN-bus (Controller Area Network) была создана фирмой Robert Bosch для применения в распределенных системах управления, работающих в режиме реального времени со скоростью передачи до 2 Мбит/с и вначале использовалась исключительно в автомобилестроении. Высокая помехозащищенность и надежность, а также большой выбор компонентов от крупнейших производителей (Fujitsu, Maxim, Motorola, NEC, Siemens, Texas Instruments и др.) превратили САN в совокупность программных, схемотехнических и алгоритмических решений для широкого диапазона применений — в САN-технологию. Важное место в сети САN отводится приемопередатчикам (ПП), связывающим САN-контроллер и реальные провода САN-шины. Рассмотрим ПП фирмы MAXIM, которые могут заинтересовать потребителей в силу традиционно высокого качества всей продукции компании, невысокой стоимости (порядка 2,5 у.е.) и ряда технологических особенностей.

   Приемопередатчики МАХ3050/3057 (рис. 1) первоначально предназначались для автомобильной промышленности, где необходимы скорость передачи данных до 2 Мбит/с и защита от короткого замыкания в системах с высоким напряжением питания. ПП характеризуются однополярным питанием +5 В, током потребления 56 мА в активном и 3,6 мА в пассивном состоянии.

   Приборы МАХ3050/3057 работают в четырех режимах:

• высокое быстродействие;
• регулируемое быстродействие;
• пониженное потребление;
• отключение.

Рис. 1
Приемопередатчики МАХ3050/3057

   Режим определяется сигналом определенного уровня на выводе RS микросхемы. Передатчик при этом преобразует однополярный сигнал от CAN-контроллера в дифференциальный сигнал для шины CAN (CANH, CANL). Режим высокого быстродействия (вывод«КБ соединен с общим проводом) позволяет достичь при передаче скорости 2 Мбит/с. В этом режиме присутствует повышенный уровень электромагнитных помех, который можно снизить, применив экранированную вигую пару.

   Снизить уровень помех без использования экранированной витой пары можно в режиме регулируемого быстродействия. В этом режиме скорость передачи (от 40 до 500 кбит/с) определяется резистором, подключенным между выводом RS и общим проводом. Сопротивление резистора вычисляется по формуле:

   Для перехода в режим пониженного энергопотребления необходимо подать на вывод RS микросхемы высокий уровень. При этом передатчики отключаются, а приемники находятся в состоянии малого потребления. В этом режиме возможна потеря первого сообщения, передаваемого на высокой скорости.

   Отключение приемопередатчика МАХ3057 происходит при подаче на вывод SHDN сигнала низкого уровня. В ПП МАХ3050 реализован режим AutoShutdown, разработанный фирмой MAXIM, при котором микросхема отключается при отсутствии приема или передачи в течение заданного времени. Значение этого времени задается внешним конденсатором, подключаемым к выводу SHDN, и определяется по формуле:

где V_SHDN - порог срабатывания SHDN.

   Подача на вывод SHDN высокого уровня переводит МАХ3050 в рабочий режим.

   Приемник считывает дифференциальный сигнал с шины (CANH, CANL) и преобразует его в однополярный (RXD) для CAN-контроллера. Компаратор на входе приемника сравнивает разность напряжений ΔV = (CANH-CANL) с внутренним порогом 0,7 В. Если разность положительна, то на выводе RXD формируется сигнал низкого уровня, если отрицательна, то — высокого.

   В ПП МАХ3050/МАХ3057 для приемника реализован режим «эхо», т.е. происходит повтор передаваемых данных.

   Диапазон синфазного сигнала для линий CANH и CANL от ~7 до +12 В. В случае короткого замыкания или обрыва в цепи CANH-CANL, а также если входное синфазное напряжение не более 0,5 В, на выводе RXD формируется сигнал высокого уровня. Если входное напряжение более 0,9 В, то на RXD — низкий уровень.

   Микросхемы МАХ3050/3057 имеют два типа зашиты. Первый тип - тепловая защита, которая отключает микросхему и устанавливает линии CANH и CANL в третье состояние, если температура кристалла превысит +160°С. Такое возможно, например, при коротком замыкании на шине. Гистерезис составляет 20°С, т.е. обратное включение произойдет при снижении температуры до +140°С. Второй тип защиты — ограничение тока выходного каскада при коротком замыкании.

   Более упрощенным вариантом микросхемы МАХ3050 является МАХ3053, у которой отсутствует режим пониженного потребления. В остальном - это полный аналог МАХ3050.

   Фирма MAXIM выпускает также микросхемы МАХ3054/3055/3056 (их структурная схема приведена на рис. 2), предназначенные для применения в автомобильных системах (в том числе с напряжением бортовой сети 42 В). Их главная особенность - переход в режим однопро-водной передачи при возникновении различных отказов. Надежность микросхем определяют тепловая и токовая защиты. Тепловая защита аналогична МАХ3050 (гистерезис —15°С). Токовая защита предохраняет выход передатчика при коротком замыкании на шине. Дополнительно линии CANH и CANL защищены от импульсных помех, характерных для автомобильной электроники.

   Приемопередатчики МАХ3054/ 3055/3056 работают в трех режимах, переход в каждый из которых (и выход тоже) задается подачей управляющих сигналов на выводы STB и EN. Для отключения внешнего стабилизатора питания используется вывод INH.

   Каждая из микросхем данного семейства рассчитана на определенную скорость передачи данных: МАХ3054 - 250 кбайт/с, МАХЗО55 - 125 кбайт/с, МАХ3056 -40 кбайт/с. Высокая помехозащищенность обеспечивается фильтрами на входе приемников, а встроенная схема регулируемого быстродействия в микросхемах МАХ3055 и МАХ3056 позволяет обойтись без экранированного кабеля.

   Работа приемника и передатчика в обычном режиме аналогична работе МАХ3050/3057. Отметим только их отличия.

   Для работы от автомобильного аккумулятора (в том числе и 42-вольтового) в микросхеме предусмотрен вывод ВАТТ, через который и подается питание (до +80 В).

   С целью снижения потребления в режиме ожидания в микросхемах МАХ3054-МАХ3056 реализована функция управления внешним источником питания. При переходе в режим ожидания потенциал на выходе INH изменяется с низкого на высокий в трех случаях: при «холодном» запуске, по фронту или спаду сигнала на выводе WAKE и если длительность доминирующего сигнала больше 38 мкс при низких уровнях на выводах EN и STB. После включения питания сигнал на выводе INH становится «высоким» и устанавливается внутренний флаг включения питания. Значение этого флага может быть считано в режиме ожидания на выводе ERR (STB = 1, EN = 0), а сброс происходит при переходе в нормальный рабочий режим.

   Чтобы иметь информацию о состоянии микросхем, в них предусмотрен вывод ERR. Сигнал на этом выводе устанавливается в «0» при включении питания, выходе из режима ожидания и при сбойной ситуации. В остальных случаях на выводе ERR - высокий уровень.

   Схема обнаружения отказов полностью задействована в нормальном рабочем режиме. При обнаружении отказа она переключается в соответствующее состояние, как показано в табл. 1. Типовое пороговое напряжение составляет -3,2 В (Vcc = 5 В), что обеспечивает корректный прием данных с предельной помехоустойчивостью в нормальном режиме или при отказах 1, 2, 5 и 9.

Таблица 1

   Приемопередатчики МАХ3054-МАХ3056 могут работать в одном из трех режимов пониженного потребления, которые выбираются подачей сигналов на выводы STB и EN (табл. 2).

Таблица 2

   Дежурный (спящий) режим -режим с минимальным потреблением. В этом режиме отключается внешний стабилизатор напряжения переводом выхода INH в третье состояние, смещение на выход CANL от источника питания подается через выход RTL. Если подается питание, то на выводах RXD и ERR формируется прерывание на запуск системы.

   Режим ожидания может применяться в том случае, когда необходим внешний стабилизатор напряжения для сохранения активного состояния при малом потреблении (аналогичен дежурному режиму, но на выходе INH устанавливается высокий уровень).

   Режим ожидания включения питания - при переходе микросхемы из режима ожидания в режим ожидания включения питания на выходе INH устанавливается высокий уровень, а из дежурного - низкий.

   МАХ3054/3055/3056 могут работать в сети с общим числом приемопередатчиков до 32 на одной шине. Эти ПП спроектированы для работы с суммарным сопротивлением согласующих резисторов 100 Ом (для каждой из линий CANH и CANL). Значение согласующих резисторов RTL и RTH изменяется в соответствии с размерами конкретной системы. Но если у вас нет желания заниматься расчетами, то можно поставить одинаковые резисторы, важно, чтобы их суммарное сопротивление не превышало 100 Ом.