CN2836065Y - 一种can总线无极性化节点装置 - Google Patents

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董凯军
王斌
唐占超
徐鹏华
胡海鹏
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Abstract

本实用新型提供了一种CAN总线无极性化节点装置，旨在提供一种实现CAN总线无极性化，使其高、低电平总线端可任意变更接入总线的顺序，而不影响节点的通信功能的CAN总线无极性化节点装置。其技术方案要点是：它包括CAN控制器及CAN驱动器，所述的CAN驱动器为无极性CAN驱动器，其包括无极性接收电路、无极性发送电路以及两个有极性CAN驱动器，所述的两个有极性CAN驱动器的低电平总线端、高电平总线端反相连接，两个有极性CAN驱动器的接收端通过无极性接收电路和CAN控制器的接收端连接，CAN控制器的发送端通过无极性发送电路和两个有极性CAN驱动器的发送端连接。

Description

一种CAN总线无极性化节点装置
技术领域
本实用新型涉及现场总线领域中的CAN总线节点装置，更具体地说，它是一种CAN总线无极性化节点装置。
背景技术
控制器局部网(CAN-Controller Area Network)是德国BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能，现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门，CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。现在为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路，使CAN总线成为第一个具有国际标准的现场总线。现场总线技术是自控领域和网络家电领域的一项重要技术，现场总线将现场仪表或网络家电互连构成网络互连系统，各种仪表和家电设备分散地挂在总线上，具有很大的灵活性和扩展性。但是，现有的总线大多数都是有极性的，即两根信号线是不能互换的，节点装置与它连接时必须分清这些线缆的极性。当网络传输距离长或节点装置较多时，在线路上的转接线盒也会很多，很容易将信号线在传输途中接反，从而造成信号无法正常传输；另外，为了布线方便，转接线盒的数量往往大于总线上的设备数，对于室内系统，网络线路一般外加PVC线槽甚至暗埋于墙体内，造成对线路反接问题的查找和修正更加困难，总之，由于总线的极性，给用户在接线时带来了诸多不便。
发明内容
本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种使其高、低电平总线端可任意变更接入总线的顺序，而不影响节点装置的通信功能的CAN总线无极性化节点装置。
为了实现本实用新型的目的，所采用的技术方案如下：
一种CAN总线无极性化节点装置，它包括CAN控制器(1)及CAN驱动器，所述的CAN驱动器为无极性CAN驱动器(2)，其包括有有极性CAN驱动器(21)、有极性CAN驱动器(22)、无极性接收电路(23)、无极性发送电路(24)，有极性CAN驱动器(21)的低电平总线端CANL1、高电平总线端CANH1与有极性CAN驱动器(22)的低电平总线端CANL2、高电平总线端CANH2反相连接，无极性接收电路(23)的输入端分别与有极性CAN驱动器(21)、有极性CAN驱动器(22)的接收端RXD1、RXD2连接，其输出端与CAN控制器(1)的接收端RXD连接，无极性发送电路(24)的输入端与CAN控制器(1)的发送端TXD连接，其输出端分别与有极性CAN驱动器(21)、有极性CAN驱动器(22)的发送端TXD1、TXD2连接。
所述的无极性接收电路(23)包括与门(231)，与门(231)的输入端分别与有极性CAN驱动器(21)的接收端RXD1、有极性CAN驱动器(22)的接收端RXD2连接，其输出端与CAN控制器(1)的接收端RXD连接。
所述的无极性发送电路(24)包括或门(241)、或门(242)、D触发器(243)，所述或门(241)的一个输入端和或门(242)的一个输入端连接，作为无极性发送电路的输入端，其与CAN控制器(1)的发送端TXD连接，或门(241)的另一个输入端和D触发器(243)的输出端Q连接，其输出端与有极性CAN驱动器(21)的发送端TXD1连接，所述或门(242)的另一个输入端和D触发器(243)的输出端Q连接，其输出端与有极性CAN驱动器(22)的发送端TXD2连接，有极性CAN驱动器(21)的接收端RXD1与D触发器(243)的端口PR连接、有极性CAN驱动器(22)的接收端RXD2与D触发器(243)的端口CLR连接。
其中，CAN总线无极性化节点装置设有若干个，其以“线与”的方式连接在总线上。
由于采用上述技术方案，本实用新型有以下的有益效果：本实用新型将有极性的CAN节点装置改造成无极性的CAN节点装置，其通过无极性驱动器(2)接入总线，由于无极性驱动器(2)的低电平总线端、高电平总线端可任意变更接入总线的顺序，而不影响节点装置的通信功能，从而极大地方便了总线的现场布线施工以及调试。
附图说明
图1为本实用新型的原理图；
图2为本实用新型的CAN总线额定电平值示意图；
图3为本实用新型实施例的原理图；
图4为本实用新型实施例的有极性CAN驱动器的内部原理图；
图5为本实用新型实施例的有极性CAN驱动器的差分接收器的传输特性图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。
如图1中所示，一种CAN总线无极性化节点装置，它包括CAN控制器1及CAN驱动器，所述的CAN驱动器为无极性CAN驱动器2，其包括有有极性CAN驱动器21、有极性CAN驱动器22、无极性接收电路23、无极性发送电路24，有极性CAN驱动器21的低电平总线端CANL1、高电平总线端CANH1与有极性CAN驱动器22的低电平总线端CANL2、高电平总线端CANH2反相连接，无极性接收电路23的输入端分别与有极性CAN驱动器21的接收端RXD1、有极性CAN驱动器22的接收端RXD2连接，其输出端与CAN控制器1的接收端RXD连接，无极性发送电路24的输入端与CAN控制器1的发送端TXD连接，其输出端分别与有极性CAN驱动器21发送端TXD1、有极性CAN驱动器22的发送端TXD2连接。
如图2中所示，是ISO11898规定的CAN总线额定电平值，CAN总线上用“显性”(Dominant)和“隐性”(Recessive)两个互补的逻辑值表示低电平“0”和高电平“1”。当总线上出现同时发送显性位和隐性位时，其结果是总线上电平数值为显性。CAN-L和CAN-H是无极性驱动器2与总线之间的两接口引脚，CAN-L为无极性驱动器2的低电平总线端，CAN-H为无极性驱动器2的高电平总线端，信号是以两线之间的差分电压形式出现。在总线空闲或隐性位期间，发送隐性位，显性位以大于最小阈值的差分电压表示。
其中，CAN总线是一种多主的无破坏性位竞争总线，CAN是一种多主机局部网，其模型结构包括OSI底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层，其信号传输介质多为双绞线，其信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个。当节点装置严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主方式工作，网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点装置同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。
本实用新型实施例的原理图如图3、图4所示，所述的无极性接收电路包括与门231，与门231的输入端分别与有极性CAN驱动器21的接收端RXD1、有极性CAN驱动器22的接收端RXD2连接，其输出端与CAN控制器1的接收端RXD连接。所述的无极性发送电路包括或门241、或门242、D触发器243，所述或门241的一个输入端和或门242的一个输入端连接，作为无极性发送电路的输入端，其与CAN控制器1的发送端TXD连接，或门241的另一个输入端和D触发器243的输出端Q连接，其输出端与有极性CAN驱动器21的发送端TXD1连接，所述或门242的另一个输入端和D触发器243的输出端Q连接，其输出端与有极性CAN驱动器22的发送端TXD2连接，有极性CAN驱动器21的接收端RXD1与D触发器243的端口PR连接、有极性CAN驱动器22的接收端RXD2与D触发器243的端口CLR连接。
上述的CAN总线无极性化节点装置设有若干个，无极性驱动器的高电平总线端和低电平总线端以“线与”的方式连接在总线上，总线两端接终端匹配电阻。下表为D触发器的功能表
                      表一：D触发器的功能表
Figure Y20052006422300081
(表中，X为任意值)
所述的CAN控制器1可采用型号为SJA1000的CAN控制器。
所述的有极性CAN驱动器21、有极性CAN驱动器22可采用Philips公司生产的一种典型的CAN总线驱动器，其型号为TJA1050。
其中，TJA1050是CAN协议控制器和物理总线的接口，它可以为总线提供不同的发送性能，为SJA1000提供不同的接收性能，而且与“ISO 11898”标准完全兼容。下表为TJA1050的引脚描述表：
          表二：TJA1050的引脚描述表
  助记符   引脚   描述
  TXD   1   发送端：发送数据输入
  GND   2   接地端：接地
  Vcc   3   电源端：接电源
  RXD   4   接收端：接收数据输出
  VREF   5   参考电压端：参考电压输入
  CANL   6   CAN总线低电平端
  CANH   7   CAN总线高电平端
  S   8   选择进入高速模式还是进入静音模式
下表为TJA1050的输出真值表。
                          表三：TJA1050输出真值表
  电源   TXD   CANH   CANL   总线状态   RXD
  4.5-5.5V   0   高   低   显性   0
  4.5-5.5V   1(或悬空)   悬空   悬空   隐性   1
  ＜2V(不加电)   X   悬空   悬空   隐性   X
  2＜VCC＜4.5V   ＞0.75VCC   悬空   悬空   隐性   X
  2＜VCC＜4.5V   X   若VRS＞0.75VCC则悬空   若VRS＞0.75VCC则悬空   隐性   X
(表中，X为任意值)
当TJA1050的发送端TXD为低电平时，输出为“显性”电平，即它的高电平总线端CANH约为3.5伏，CANL约为1.5伏；当发送端TXD为高电平或悬空时，输出为“隐性”状态，即CANH和CANL都位于悬空态。此时，若总线上所有的节点装置都为“隐性”状态，则VCANH和VCANL都约为2.5伏；当总线上只要有任意一个节点装置为“显性”状态，则输出必为“显性”状态，即VCANH和VCANL分别输出高电平和低电平。
本实用新型实施例的有极性CAN驱动器的内部原理图如图5所示，其中：Vdiff＝VCANH-VCANL。为了消除输入信号的抖动产生输出的误动作，特性中有一个约200mV的滞后门限。当0.6伏≥Vdiff≥0伏时，VRXD的输出为高电平。特性中只给出了Vdiff≥0伏的VRXD值；实测时发现Vdiff≤0伏时，VRXD的值仍然为高电平。
对TJA1050，首先，当数据由SJA1000的发送端TXD经过或门后，最终由TJA1050的发送端TXD进入TJA1050。当从TJA1050的发送端TXD输入TJA1050为低电平信号时，经过TJA1050的驱动电路DRIVER驱动后，两个场效应管导通，显然，总线输出端CANH和CANL分别输出高电平和低电平，即“显性”电平，差分接收器(RECEIVER)同时监测到“显性”状态后使它的接收端RXD输出为低电平；另外，TJA1050的发送端TXD有输入上拉功能，当发送端TXD悬空或为高电平时，驱动电路DRIVER会使两个场效应管截止，此时，由于总线输出端CANH和CANL是分别连接一个25KΩ的电阻而固定在0.5VCC＝2.5V伏附近，因此，可知，总线输出端CANH和CANL为“隐性”电平输出，差分接收器(RECEIVER)监测到“隐性”状态后使接收端RXD输出为高电平，如果此时总线上有其它节点装置输出“显性”电平，由于所有的节点装置是以“线与”的方式接在总线上，所以总线输出为“显性”电平，此时，差分接收器(RECEIVER)监测到“显性”状态后使发送端RXD输出为低电平。
由于CAN总线上的每个节点装置都是以“线与”的方式连在一起的，因此多个节点装置可同时向总线上发数据。当一个节点装置发送数据时它的无极性CAN驱动器2内部的差分接收器会同时在监测总线上的状态。在发送数据帧的标识符阶段，若发出一位“显性”位，则差分接收器肯定监测到总线上为“显性”状态；继续发下一位标识符；若发出一位“隐性”位，如果此时差分接收器监测到总线上为“显性”状态表明有其它优先级更高的节点装置也在竞争发送数据，本节点装置停止发送，转为接收，退出竞争，否则继续发送直到竞争失败或发送成功。
使用时，当节点上电后，D触发器的输出状态Q是随机的，Q是Q的反码。
当Q＝“1”时，加在或门242的一个输入端使其输出恒为“1”，此时，无论由CAN控制器1(SJA1000)的发送端TXD发送到有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)的数据如何，经过或门242作用后，最终，由此有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)的发送端TXD2进入它内部的只可能是高电平，即“隐性”电平，此时，相当于由CAN控制器1(SJA1000)的发送端TXD发送到第二片TJA1050的数据的通路已经被封住，也就是有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)在Q的值不改变时，只能输出高电平，即“隐性”电平；Q＝“0”加在或门241的一个输入端，这样，或门241的一个输入端的值恒为“0”，根据或门的性质，可知或门241的输出值与其另外一个输入端的的值一样，并且伴随着这个值同步变化，也就是说，此时等于由CAN控制器1(SJA1000)的发送端TXD发送到有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)的TXD1的通路打开，有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)可以正常工作。此时，当CAN控制器1(SJA1000)的TXD＝“1”，有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)的输出为“隐性”，与有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)的输出“线与”后，根据“线与”的性质，可知无极驱动器2的输出为“隐性”电平；当CAN控制器1(SJA1000)的TXD＝“0”，有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)的输出为“显性”，与有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)的输出“线与”后，根据“线与”的性质，可知无极性CAN驱动器2的输出为低电平，即“显性”位，也就是说，当Q＝“1”时，有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)不工作，无极性CAN驱动器2只有有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)处于正常工作状态，也就是说，此时无级驱动器1相当于有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)。
当Q＝“0”时，即Q＝“1”，加在或门241的一个输入端使其输出恒为“1”，此时，无论由CAN控制器1(SJA1000)的发送端TXD发送到有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)的数据如何，经过或门241作用后，最终，有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)的发送端TXD1进入它内部的只可能是高电平，即“隐性”位，此时，相当于由CAN控制器1(SJA1000)的发送端发送到有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)的数据的通路已经被封住，也就是有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)在Q的值不改变时，只能输出“隐性”电平；加在或门242的一个输入端，此时，由于或门242的一个输入端的值恒为“0”，根据或门的性质，可知或门242的输出值与另外一个输入端的值一样，并且伴随着这个值同步变化，也就是说，此时等于由CAN控制器1(SJA1000)的发送端TXD发送到有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)的TXD2的通路打开，有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)可以正常工作。此时，当CAN控制器1(SJA1000)的TXD＝“1”，有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)的输出为“隐性”，与有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)的输出“线与”后，根据“线与”的性质，可知无级驱动器的输出为“隐性”电平；当CAN控制器1(SJA1000)的TXD＝“0”，有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)的输出为“显性”，与有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)的输出“线与”后，根据“线与”的性质，可知无极性CAN驱动器2的输出为“显性”电平。也就是说，当Q＝“0”时，有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)不工作，无极驱动器2只有有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)处于正常工作状态，也就是说，此时无级驱动器相当于有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)。
当本实用新型处在接收状态时，如果总线上为“隐性”状态，则无极性CAN驱动器2内部的有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)、有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)的差分接收器(RECEIVER)监测到“隐性”状态后使它们的RXD1和RXD2输出均高电平，因此，经过与门231后，无极性CAN驱动器2仍然为高电平输出到CAN控制器1(SJA1000)；如果总线上为“显性”状态，则有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)、有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)的差分接收器(RECEIVER)的差分接收器中一个的输入差分电压Vdiff为正(对应RXD1或RXD2输出为低电平)，另一个的为输入差分电压Vdiff负(对应RXD2或RXD1输出为高电平)，即从此两片TJA1050的接收端RXD1、RXD2输出中必有一个是低电平输出，因此，经过与门231后，无极性CAN驱动器2为低电平输出到CAN控制器1，实现了无极性化的接收。
当有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)接收到“显性”状态时，即其输出RXD1为低电平，根据D触发器243的特性，可知此低电平将会立即将D触发器243的输出端Q“置1”，此时，Q＝1，使有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)工作，有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)不工作，也就是将有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)的发送通道打开，并将有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)发送通道封住；当有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)接收到“显性”位，其输出RXD2为低电平，根据D触发器243的特性，可知此低电平将会立即将D触发器243输出端Q“清0”，此时，Q＝“0”，使有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)工作，有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)不工作，也就是将有极性CAN驱动器22(第二片TJA1050)的发送通道打开，并将有极性CAN驱动器21(第一片TJA1050)发送通道封住。因此，实现了无极性的发送。
通过上述分析可知，不论节点装置接入总线的引脚顺序如何，无极性CAN驱动器2都能正常工作。电路中两片TJA1050中始终有一片的高电平总线端、低电平总线端是正接，另一片TJA1050的高电平总线端、低电平总线端为反接，除反接的TJA1050芯片中的两个25kΩ电阻使节点的电阻降低了一半外，反接的芯片始终处于不工作状态，基本不影响正接芯片的工作。因此，改造后的无极性CAN节点装置的特性和改造前的有极性CAN节点装置的特性基本不变。

Claims (3)

1.一种CAN总线无极性化节点装置，它包括CAN控制器(1)及CAN驱动器，其特征在于：所述的CAN驱动器为无极性CAN驱动器(2)，其包括有有极性CAN驱动器(21)、有极性CAN驱动器(22)、无极性接收电路(23)、无极性发送电路(24)，有极性CAN驱动器(21)的低电平总线端CANL1、高电平总线端CANH1与有极性CAN驱动器(22)的低电平总线端CANL2、高电平总线端CANH2反相连接，无极性接收电路(23)的输入端分别与有极性CAN驱动器(21)、有极性CAN驱动器(22)的接收端RXD1、RXD2连接，其输出端与CAN控制器(1)的接收端RXD连接，无极性发送电路(24)的输入端与CAN控制器(1)的发送端TXD连接，其输出端分别与有极性CAN驱动器(21)、有极性CAN驱动器(22)的发送端TXD1、TXD2连接。
2、根据权利要求1所述的CAN总线无极性化节点装置，其特征在于：所述的无极性接收电路(23)包括与门(231)，与门(231)的输入端分别与有极性CAN驱动器(21)的接收端RXD1、有极性CAN驱动器(22)的接收端RXD2连接，其输出端与CAN控制器(1)的接收端RXD连接。
3.根据权利要求1所述的CAN总线无级性化节点装置，其特征在于：所述的无极性发送电路(24)包括或门(241)、或门(242)、D触发器(243)，所述或门(241)的一个输入端和或门(242)的一个输入端连接，作为无极性发送电路的输入端，其与CAN控制器(1)的发送端TXD连接，或门(241)的另一个输入端和D触发器(243)的输出端Q连接，其输出端与有极性CAN驱动器(21)的发送端TXD1连接，所述或门(242)的另一个输入端和D触发器(243)的输出端Q连接，其输出端与有极性CAN驱动器(22)的发送端TXD2连接，有极性CAN驱动器(21)的接收端RXD1与D触发器(243)的端口PR连接、有极性CAN驱动器(22)的接收端RXD2与D触发器(243)的端口CLR连接。
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