一种提高CAN总线信号的噪声容限的电路系统
技术领域
本发明涉及本发明涉及CAN通信的接口电路,特别是涉及提高CAN总线信号的噪声容限的电路。
背景技术
Controller Area Network简称CAN,全称控制器局域网,已成为ISO(国际标准化组织)的串行通信协议标准。CAN总线通信具有很好的简便易用性、网络安全性、通信可靠性和实时性,因此被广泛应用于汽车、舰船、医疗和工控设备等领域。
通常,由CAN收发器(如SN65HVD251,PCA82C250等)将来自CAN控制器输出的逻辑电平转换成差分信号,来完成报文的发送和接收,目的是延伸通信距离和增强抗干扰能力。双绞线(或者普通并行线)具有配线容易、成本低、节点扩展方便等特点,常常被选为CAN总线的传输介质。
附图1显示了现有技术的CAN总线通信的系统构成。该图摘录自CAN收发器SN65HVD251的数据手册中的Figure 25,数据手册文件编号为SLLS545B。使用双绞线来搭建CAN总线,这种做法是厂商推荐的,也是实际中普遍采用的,但是在电磁干扰大的环境中应用,比如在电动汽车充电模块、光伏逆变器、变频器等设备组网应用中,就常常出现通信随机中断,甚至根本无法通信的情况。
深究上述现象的原因,发现现有技术的CAN总线信号的噪声容限比较低,如图2(摘录自SN65HVD251的数据手册中的Figure 24)所示的差分信号眼图,低电平的噪声容限只有500mV,由于高电平输出最低值为1.5V,所以高电平的噪声容限最差时也只有600mV(=1.5V-900mV)。在电磁干扰比较大的设备中,存在着诸如邻近信号的串扰、收发器电源地线的反跳、电压快速变化部件的容性耦合等等电磁干扰,耦合到CAN总线上的噪声电压的幅度常常达到2伏,从而将有用信号淹没,导致信号识别错误,通信异常。
为了应对强电磁干扰,有的在分开的、独立的、有一定距离的通信节点间使用光纤作为接收、发送信号的传输介质,在某个主控节点处将光纤信号还原为电信号,集中使用CAN收发器进行电平转换和总线连接组网,如中国专利ZL200510086299.8描述的“一种适用于强电磁干扰环境下的高性能CAN通信系统”那样。但是,采用光纤显著增加了CAN的应用成本,给增加节点数量带来不便(光纤方案中,增加一个节点,需要增加光纤的接收部件、发送部件,还要增加一个CAN收发器,远没有双绞线那样将总线并联就完成节点增加那么方便),削弱了CAN的易用性。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明的目的是提供一种既保留双绞线式CAN通信总线的配线容易、成本低、方便扩展节点等优点,又可以大幅度提高CAN总线信号的噪声容限的电路系统。
本发明所采用的技术方案是:
一种提高CAN总线信号的噪声容限的电路系统,包括CAN总线收发器,所述CAN总线收发器包括CAN总线高端CANH、CAN总线低端CANL、电源端VCC和电源地端GND,所述电源端VCC和电源地端GND分别连接到供电电源的正极和电源地VG,还包括:以电源地VG为中心地的正电源V1、负电源V2、第一恒流源CC1和第二恒流源CC2;所述正电源V1的负极与电源地VG连接,正极与第一恒流源CC1的输入端连接;所述的第一恒流源CC1的输出端与CAN总线低端CANL连接;所述的CAN总线高端CANH与第二恒流源CC2的输入端连接,所述第二恒流源CC2的输出端与负电源V2的负极连接,所述负电源V2的正极与电源地VG连接。
优选的,所述的第一恒流源CC1、第二恒流源CC2的数值选择,遵照如下准则:所述的CAN收发器输出高的差分电压时,差分电压值高于CAN收发器的CAN总线低端CANL与CAN总线高端CANH之间独立连接60欧姆电阻时可以输出的差分电压值。
优选的,所述的第一恒流源CC1、第二恒流源CC2的数值相等,其数值等于所述的CAN收发器的CAN总线低端CANL与CAN总线高端CANH之间独立连接60欧姆电阻时可以输出的差分电流值的0.4倍到0.6倍。
优选的,所述的第一恒流源CC1与CAN总线低端CANL之间顺向串联第一二极管D1,所述的第二恒流源CC2与CAN总线高端CANH之间顺向串联第二二极管D2。
优选的,所述的正电源V1和CAN收发器采用同一供电电源V0供电;所述的负电源V2的输出电流为0。
优选的,在所述的CAN总线高端CANH、CAN总线低端CANL之间并联有双向限压器件DW,所述双向限压器件DW为双向稳压管或双向瞬态电压抑制二极管。
本发明的有益效果是:
本发明利用恒流源CC1、恒流源CC2的作用,使得CAN收发器输出高的差分电压(CANH端电压高于CANL)时,其电压数值高于现有技术的电压值,在CAN收发器输出低的差分电压时,使CANL端电压高于CANH,实现差分负电压输出;从而有效提高了输出电压识别门限,也就是提高了噪声容限;进而提升双绞线式CAN通信总线抗干扰能力,使其可以应用在电磁干扰大的环境中。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明:
图1为现有技术的CAN总线通信的系统构成;
图2为现有技术的CAN总线差分信号眼图及噪声容限;
图3为本发明一种实施例的电路原理图;
图4为本发明一种实施例的CAN总线差分信号眼图及噪声容限。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
一种提高CAN总线信号的噪声容限的电路系统,包括CAN总线收发器,所述CAN总线收发器包括CAN总线高端CANH、CAN总线低端CANL、电源端VCC和电源地端GND,所述电源端VCC和电源地端GND分别连接到供电电源的正极和电源地VG,还包括:以电源地VG为中心地的正电源V1、负电源V2、第一恒流源CC1和第二恒流源CC2;所述正电源V1的负极与电源地VG连接,正极与第一恒流源CC1的输入端连接;所述的第一恒流源CC1的输出端与CAN总线低端CANL连接;所述的CAN总线高端CANH与第二恒流源CC2的输入端连接,所述第二恒流源CC2的输出端与负电源V2的负极连接,所述负电源V2的正极与电源地VG连接。
其中,如图3所示的本发明一种实施例的电路原理图中,CAN收发器由电源VCC供电,电源地标识为VG,CAN总线两个差分输出端分别标识为CAN总线高端CANH,CAN总线低端CANL;以CAN收发器供电电源地VG为中心地的正电源V1、负电源V2,还包括恒流源CC1、恒流源CC2;所述的恒流源CC1自正电源V1流出,从CAN总线低端CANL流入;所述的恒流源CC2自CAN总线高端CANH流出,从负电源V2流入;恒流源CC1、恒流源CC2的数值选择,遵照如下准则:CAN收发器输出高的差分电压(CANH端电压高于CANL)时,其数值高于CAN收发器独立连接60欧姆电阻时可以输出的差分电压值。
优选的,所述的第一恒流源CC1、第二恒流源CC2的数值选择,遵照如下准则:所述的CAN收发器输出高的差分电压时,差分电压值高于CAN收发器的CAN总线低端CANL与CAN总线高端CANH之间独立连接60欧姆电阻时可以输出的差分电压值。
优选的,所述的第一恒流源CC1、第二恒流源CC2的数值相等,其数值等于所述的CAN收发器的CAN总线低端CANL与CAN总线高端CANH之间独立连接60欧姆电阻时可以输出的差分电流值的0.4倍到0.6倍,优选0.5倍。这样,对CAN总线分布电容的充放电电流接近或一致,CAN信号的上升沿和下降沿对称性最佳,总线上的最大电压变化率最低,其对外的电磁骚扰也最低。
优选的,所述的第一恒流源CC1与CAN总线低端CANL之间顺向串联第一二极管D1,所述的第二恒流源CC2与CAN总线高端CANH之间顺向串联第二二极管D2。恒流源CC1顺向串联二极管D1、恒流源CC2顺向串联二极管D2,可以阻止超出电源电压的共模外输入可能引起的电流倒灌,也可以在电源未上电前和CAN总线隔离开来,不对总线产生负载效应。
优选的,所述的正电源V1和CAN收发器采用同一供电电源V0供电;所述的负电源V2的输出电流为0,即可以用短路线替代。该实施例中,正电源V1就是CAN收发器供电电源VCC,负电源V2是0,用短路线替代。这样可以降低成本。
优选的,在所述的CAN总线高端CANH、CAN总线低端CANL之间并联有双向限压器件DW,所述双向限压器件DW为双向稳压管或双向瞬态电压抑制二极管。
为防止CANH端、CANL端之间的差分电压超过CAN收发器的承受极限,在CANH端、CANL端之间并联双向限压器件DW,如双向稳压管、双向瞬态电压抑制二极管(TVS)等等。
下面将结合附图1、附图2、附图3和附图4,详细说明本发明的电路提高CAN总线信号噪声容限的幅度。
如图1和图2所示,现有技术的CAN驱动器在总线之间并接有60欧姆电阻,高电平输出值为1.5伏,假设CAN驱动器的VCC供电为5伏,VCC与CAN总线高端CANH之间的上导通电阻为RH,CAN总线低端CANL与电源地VG之间的下导通电阻为RL,可见上导通电阻RH、60欧姆电阻、下导通电阻RL等构成CAN驱动器的供电电源VCC到电源地VG之间的完整通路,可以得出1.5 +1.5/60 *(RH + RL) = 5,求解得到在25毫安电流(=1.5伏/60欧姆)下,RH + RL上的压降为3.5伏。
本发明电路中,恒流源CC1、恒流源CC2的数值相等,数值为12.5毫安(即上述25毫安电流的0.4到0.6倍,优选0.5倍)。CAN驱动器输出高电平时,前述12.5毫安电流在RH + RL上的压降只有1.75伏( = 3.5伏*0.5),所以CAN总线高端CANH、CAN总线低端CANL之间的差分电压高电平为3.25伏( = 5伏-1.75伏)。
CAN驱动器输出低电平时,上导通电阻RH、下导通电阻RL处于高阻状态,仅有可以忽略的漏电流,在恒流源CC1、恒流源CC2的作用下,在总线高端CANH、CAN总线低端CANL之间将产生反向电压,通过双向限压器件DW的作用或者恒流源CC1、恒流源CC2的设计,使所述的反向电压为-3.25V,与差分电压高电平3.25伏关于0伏对称。
如图4所示,本发明的实施例的CAN总线差分信号眼图及噪声容限,高电平噪声容限 = 3.25伏-900mV = 2.35伏,等于现有技术600mV的3.9倍;低电平噪声容限 = 500mV-(-3.25伏) = 3.75伏,等于现有技术500mV的7.5倍;高、低电平噪声容限都有大幅度提高,都超过了2V,对电磁干扰的抵抗能力显著提升,基本可以满足在电动汽车充电模块等复杂电磁环境中进行CAN总线组网的要求。
本发明的电路在多节点CAN总线组网系统中,仅需要一套,增加的成本相比光纤方案要少得多;节点扩充只需将总线的CANH、CANL对应连接即可,非常的简便易行;同时解决了CAN总线抗强电磁干扰的问题。综上所述,本发明的电路具备实际应用价值。
综上所述,本发明利用恒流源CC1、恒流源CC2的作用,使得CAN收发器输出高的差分电压(CANH端电压高于CANL)时,其电压数值高于现有技术的电压值,在CAN收发器输出低的差分电压时,使CANL端电压高于CANH,实现差分负电压输出;从而有效提高了输出电压识别门限,也就是提高了噪声容限;进而提升双绞线式CAN通信总线抗干扰能力,使其可以应用在电磁干扰大的环境中。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明,但本发明创造并不限于所述实施例,熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换,这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。