引言
CAN（Controller Area Network）[3]總線又稱控制局域網絡，早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數據通信，CAN已被公認為幾種有前途的現場總線之一。其總線規(guī)范已被ISO國際標準組織制訂為國際標準。CAN的主要優(yōu)點：1、為多主工作方式，可以很方便地構成多機備份系統(tǒng)，2、可以點對點、點對多點及廣播方式收發(fā)數據，通信速率可達到1Mb/s（此時通信數據長為40m），實際節(jié)點數可達110個，直接通信距離遠可達10km（速率5kB/s以下），3、CAN網絡上的節(jié)點可分為不同的優(yōu)先級，以滿足不同的實時要求，4、采用非破壞性仲裁技術，能夠有效地避免總線沖沖突；5、用短幀結構，每一幀的有效字節(jié)數為8個（短幀傳輸時間短、受干擾概率小、重發(fā)時間短，每幀信息都有CRC校驗及其他驗錯措施，可保證數據的低出錯率；6、通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活；7、總線節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。
基于CAN總線的智能節(jié)點的設計有經典的電路，本文介紹一種新的思路，可應用在煤礦等場合。
1 系統(tǒng)概述
如所示，本系統(tǒng)由單片機、隔離器、CAN控制器和外擴的RAM組成，其中，單片機選擇Atmel公司推出的T89C51CC01[4]，它是一種功能強大的8位微控制器，自帶CAN控制器和32 KB Flash存儲器和8位微處理器，與8051系列單片機兼容，靜態(tài)時鐘模式，其周期時間為300ns，內有32KB閃存程序存儲器，可在系統(tǒng)編程（ISP），包括有2KB閃存引導存儲器，2KB EEPROM和1.2KB RAM，可控制15個CAN通道，這些通道可編程用于接收、發(fā)送或接收緩沖器，可為網絡節(jié)點提供硬件支持，并且內部還有A/D轉換和PWM發(fā)生器等其他功能。

AT89C51CC01輸出的信號不能與物理總線直接相連，必須使用CAN總線收發(fā)器，因此外接了基于CAN總線協(xié)議的總線收發(fā)器PCA82C250，選擇了經典的控制電路，PCA82C250是CAN控制器與總線之間的物理接口，可以提供對總線的差動發(fā)送和接收功能，針對CANL和CANH的兩種輸出狀態(tài)，總線具有兩種不同的電平，這兩種電平可以差分輸入，接受端呈現顯性或隱性兩種狀態(tài)，同時使用PCA82C250可以增長通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力。
由于現場情況十分復雜，各節(jié)點之間存在很高的共模電壓，雖然CAN接口采用的是差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾的能力，但當共模電壓超過CAN驅動器的極限接收電壓時，CAN驅動器就無法正常工作了，嚴重時甚至會燒毀芯片和儀器設備，因此，為了適應強干擾環(huán)境或是高的性能要求，必須對CAN總線各通信節(jié)點實行電氣隔離。
傳統(tǒng)的CAN總線隔離的方法是光耦合器技術，使用光束來隔離和保護檢測電路，以及在高壓和低壓電氣環(huán)境之間提供一個安全接口，目前一般使用6N137光電隔離器件。以Toshiba公司的6N137為例，其工作電壓為5V，速率10Mbps，工作溫度一般為0－70℃，隔離電壓為2500V（有效值）。并且以DIP8型封裝，每個芯片僅提供一個隔離通道，這些性能已經限制了6N137在更高要求的環(huán)境中應用，因此，本系統(tǒng)采用了ADI公司推出的新型雙通道數字隔離器ADuM1201。ADuM1201有諸多優(yōu)于光電隔離器件性能的地方，可滿足CAN總線的要求。
雖然AT89C51CC01內部有1KB的ERAM可用來存儲程序，但是為了保證數據存儲具有足夠大的空間，設計中外擴了128字節(jié)的RAM，即61C1024，具體電路連接如所示。

PCA82C250將接收到的所有總線上傳輸的幀，通過電流和電壓隔離，傳送到T89C51CC01的CAN模塊。CAN模塊比較接收碼寄存器和幀的ID碼，相等的則接收，并引發(fā)一個接收中斷，在接收中斷的處理中，AT89C51CC01讀取CAN模塊接收緩沖區(qū)中的數據，將其傳送到61C1024的雙口RAM中。，PC通過PCI總線定時讀取61C1024雙口RAM中的數據。
另外，這里用到的單片機AT89C51CC01也可用AT89C51CC03[5]來代替，兩者的比較如表1所列。

2 ADuM1201
ADuM1201是ADI公司推出的新產品，它采用的iCoupler技術是基于芯片尺寸的變壓器，而不是基于光電耦合器所采用的LED與光電二極管的組合，這種技術由于取消了光電耦合器中的光電轉換過程，并且采用了iCoupler變壓器技術集成變壓器驅動和接收電路，從而實現了光電隔離器無法比擬的性能優(yōu)勢。由于使用晶片級制造工藝直接在芯片上制造iCouple變壓器，所以iCoupler通道比光電耦合器有效地實現通道之間的集成，以及比較容易地實現其他半導體功能。
由于沒有光電耦合器中影響效率的光電轉換環(huán)節(jié)，所以iCouple數字隔離器無需驅動LED的外部電路，功耗僅為光電耦合器的1/10－1/50，這種新的基于電磁的隔離方法，在抗高溫影響方面遠優(yōu)于光耦合器，iCoupler數字隔離器在125℃高溫環(huán)境下性能和可擴性并不下降，因此可以采用低成本、小體積的SOIC封裝，這樣不但降低了成本還減小了芯片的體積，另外，iCoupler數字隔離器的隔離通道具有比光電耦合器更高的數據傳輸速率，時序和瞬態(tài)共模抑制能力。其額定隔離電壓是高隔離度光電耦合器的2倍，并且數據傳輸速率和時序是其10倍，此外，與光電耦合器不同的是，多通道iCoupler數字隔離器能在同一芯片內提供正向和反向通信通道，這樣就可以使得信號的傳輸方向更加靈活，簡化了芯片間的硬件連接線路。
ADuM1201具有諸多優(yōu)于光電隔離器的優(yōu)點：
1、速度更高--速率可以達到25Mbps；
2、功率更低--功耗低于同數據傳輸率時傳統(tǒng)光電隔離器的1/10，工作電流為0.8mA；
3、性能更高--時序，瞬態(tài)共模抑制力，通道間匹配程度均優(yōu)于傳統(tǒng)光電隔離器；
4、體積更小--集成度更高，印制電路板（PCB）面積為傳統(tǒng)光電隔離器的40％；
5、價格更便宜-每通道成本為傳統(tǒng)光電隔離器的40％；
6、應用更靈活--與傳統(tǒng)光電耦合器不同的是，多通道iCoupler數字隔離器能在同一芯片內提供正向和反向通信通道。
ADuM1201所隔離的兩端有各自的電源和參考地，電源電壓為2.7－5.5V，這樣可以實現低電壓供電，從而進一步降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)中使用的電源是5V，電源和參考地之間接入0.01－0.1μF電容，以濾除高頻干擾，電容和電源之間的距離應在20mm以內，這樣可以達到更好的濾波效果，由于兩個隔離通道高度匹配，通道間串擾很小，并且采用兩通道輸入/輸出反向設計，非常適合CAN總線雙向收發(fā)的特性，大大簡化可隔離器與所隔離兩端的硬件連接。需要注意的是：GND1與GND2是兩個不同的參考地，否則將達不到隔離的效果，ADuM1201正常工作時，兩端的供電源需要同時上電才能保證ADuM1201兩通道都能正常工作，如果有一個沒有上電就能導致整個芯片無法正常工作，相關電路連接如所示，其中兩個IN4148為防雷擊管，用來防止總線上的瞬變干擾。

隔離芯片ADuM1201處于系統(tǒng)的中間，用來隔離各傳感器節(jié)點，比傳統(tǒng)的光電隔離器件具有更好的性能，ADuM1201消除了傳統(tǒng)光電隔離器不確定的傳輸速率，非線性的傳輸函數以及溫度和壽命對器件的影響，無需其他驅動和分立元件，提供了更加穩(wěn)定的轉化性能，而且在相同的信號傳輸速率下功耗只有光電隔離器的1/10－1/6。另外，ADuM1201以單一芯片實現了CAN總線節(jié)點之間的電氣隔離，并采用雙轉化通道，兩通道方向相反的特殊結構，非常適合于CAN總線信號的傳輸，大大簡化了系統(tǒng)的硬件結構，同時，由1個隔離芯片代替以往的2個，大大增加了通道間的匹配程度，使系統(tǒng)獲得更好的隔離性能。
結語
本節(jié)點的設計利用傳統(tǒng)的經典電路，并且用ADuM1201代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電隔離器件，降低了系統(tǒng)功耗，簡化了系統(tǒng)結構，增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的性能，成板之后調試效果良好，并且為基于CAN總線的智能節(jié)點的應用設計提供了一定的參考價值。