利用数字隔离器保护控制器局域网总线（图）
随着CAN总线在工业应用中的普及,保护其控制器和收发器免受工业环境中电机开关、静电放电或近距离雷击引起的大电流或高电压破坏至关重要。本文讨论的iCoupler数字隔离器被置于控制器和收发器之间,结合隔离式DC/DC转换器,既可以断开接地回路以有效防止浪涌破坏,又可以不妨碍信号的正常传输。
串行通信总线通过RS-232、RS-485和控制器局域网(CAN)等物理网络传送数据,应用领域涉及工业过程控制、供电电源调节(稳压)以及计算机间的点对点通信。
这些相互连接的系统每个都配备有自己的电源,而且各系统之间往往间隔较远。正因为如此,我们通常需要采取电气隔离措施来确保系统的物理安全,并且需要切断接地回路,来保护系统免受瞬态高电压冲击,同时减少信号失真。
变压器、耦合电容、光耦,以及现在ADI推出的iCoupler,都是典型的电气隔离方法,它们在阻断两点之间电流通路的同时,能够确保数据无阻碍通过。
隔离带来的好处
隔离可以保护系统免受由线路电涌或接地回路引起的高电压和大电流损害,这种情况在包含多个接地通路的系统中极有可能发生。各系统被长线缆相隔,它们的地电势可能并不相等,因此两个系统之间会产生地电流。如果不采取隔离措施,这个电流将会在系统中引入噪声、降低测量精度甚至毁坏系统元件。
工业环境中,电机的启动和关闭、静电放电或近距离雷击都会把电流通过感应耦合到长距离线缆中,从而引起地电位发生快速改变,这种变化经常高达数百甚至数千伏。当这类现象发生时,远端系统期望获得的逻辑电平开关信号就会被迭加在一个参考其本地地电位的高电压之上。如果没有采取隔离措施,这个电压将破坏信号甚至损害系统。如果与总线连接的所有器件都只参考同一个地,那么系统将免受这种破坏性能量的影响,而将器件隔离则可以防止接地回路和电涌的发生。
为了做到系统间的完全隔离,所有信号线和电源都必须进行隔离。隔离式直流/直流(DC/DC)转换器可以提供电源隔离,而iCoupler数字隔离器则可以提供信号隔离。
CAN总线
CAN总线标准最早是为汽车应用而开发的,它定义了两线串行通信协议,数据传输速率高达1Mbps,最多节点数达到30个,线缆长度最大为40米。CAN总线标准规定了物理层和数据链路层协议,数据以帧格式进行异步传输,每一帧包含开始和停止位、仲裁域、控制域、循环冗余校验域以及确认域。
总线上的每个节点可以同时进行侦听和发送,因此CAN协议最重要的特点之一就是‘非破坏性逐位仲裁’,它能够确保不丢失数据。每个节点在开始发送消息的时候都会发送一个显性开始消息位,其它节点都能够探测到这个动作,在该消息发送完之前它们不会试图发送。
紧接着,会发送11或29位仲裁域。这个域也被称作标识符,用来区分总线上发送信息的优先级。最高优先级的节点通常会获得总线的控制权,而低优先级的节点则需要等待。这样可以确保最高优先级的消息总是能够顺利通过。
F1：集成数字隔离器和隔离式供电电源的隔离型CAN总线网络。
CAN总线采用平衡的两线差分接口,典型工作电压为3V或5V,所采用的非归零码(NRZ)编码方法可以实现信息压缩,使发生的电平跳变(0/1)最少并且具备很高的抗噪声能力。CAN总线收发器采用一对开漏器件形成CANH(Vcc-0.9V)到CANL(1.5V)的差分信号。驱动发送器,就会产生代表逻辑低电平的显性信号;如果驱动器没有被驱动,则上拉电阻将总线设置于Vcc/2,并产生代表逻辑高电平的隐性信号。
待机控制将收发器置于低功耗模式。在待机模式下低功耗的接收器仍处于激活状态,随时监视总线的状态变化,并在检测到总线活动时命令控制器激活本地节点。
iCoupler的应用
数字隔离器不支持CAN总线标准,因此不能在收发器和线缆之间使用,而要将它们用于收发器和采用标准3V或5V逻辑电平的本地CAN控制器之间。因为iCoupler隔离器的输入和输出电路是彼此电气隔离的,因此一种将系统与线缆隔离的最简单方法就是在CAN控制器和收发器之间插入一个iCoupler隔离器。
为了实现完全隔离,数字隔离器和收发器的供电电源可以使用隔离式DC/DC转换器。数字隔离器和隔离式供电的有机结合可以消除接地回路,并有效防止浪涌破坏。
(作者：Scott Wayne 来源：电子工程专辑)
