PCA82C250应用指南中文资料.pdf

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/第1页共1页PCA82C250CAN收发器应用指南目录1介绍.22PCA82C250和PCA82C251的应用.22.1应用举例.42.2参考电压输出.63工作模式.63.1高速模式.63.2斜率控制模式.73.3准备模式.74斜率控制功能.74.1转换速度的计算.74.2斜率控制模式中的总线长度.85最大的总线线路长度.95.1总线电缆阻抗的影响.105.2节点的最大数量.115.3举例.116关于总线终端和拓扑结构.136.1分裂终端splittermination的概念.136.2多终端的概念.136.3单终端概念.146.4终端不匹配.146.5无端接电缆的下降长度DropLength.147结论.158参考文献.15附录1缩写和定义.16附录2节点输入电压的计算.17附录3最大总线线路长度的计算.18广州周立功单片机发展有限公司Tel:

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/第2页共2页1介绍ISO118983是一个使用CAN总线协议的汽车内高速通讯国际标准这个标准的基本作用是定义了通讯链路的数据链路层和物理层如图1所示物理层被细分成3个子层它们分别是?

物理信令位编码定时和同步?

物理媒体连接驱动器和接收器特性?

媒体相关接口总线连接器本文档着重介绍如何使用Philips半导体的收发器PCA82C2501和PCA82C2512实现物理媒体连接子层物理信令子层和数据链路层之间的连接是通过集成的协议控制器实现的这些产品有像Philips的PCx82C200SJA1000等而媒体相关接口负责连接传输媒体譬如将总线节点连接到总线的连接器像Philips的TJA10503或PCA82C2504等收发器JK512191.GWMSPECIFICATIONIMPLEMENTATIONOSI-LAYERAPPLICATIONLAYERDATALINKLAYERPHYSICALLAYERTRANSMISSIONMEDIUMPHYSICALSIGNALLINGPHYSICALMEDIUMATTACHMENTMEDIUMDEPENDENTINTERFACELOGICALLINKCONTROLMEDIUMACCESSCONTROLCAN-PROTOCOLSPECIFICATIONTOBESPECIFIEDBYTHESYSTEMDESIGNERSCOPEOFISO11898PCA82C250/251CAN-TRANSCEIVERCAN-CONTROLLERPCx82C200e.g.Note:

OSI=OpenSystemsInterconnection（seeISO7498）图1CAN的分层结构2PCA82C250和PCA82C251的应用PCA82C250/251收发器是协议控制器和物理传输线路之间的接口如在ISO11898标准中描述的它们可以用高达1Mbit/s的位速率在两条有差动电压的总线电缆上传输数据它们的总体特性都列在数据表上见1和2这两个器件都可以在额定电源电压分别是12VPCA82C250和24VPCA82C251的CAN总线系统中使用它们的功能相同根据相关的标准譬如ISO11898标准3和DeviceNetTM规范5可以在汽车和普通工业应用上使用PCA82C250和PCA82C251还可以在同一网络中互相通讯而且它们的引脚和功能兼容也就是说它们可以用在相同的印刷电路板上下面的表1列出了这两个器件的主要不同之处广州周立功单片机发展有限公司Tel:

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/第3页共3页表1PCA82C250和PCA82C251之间的主要不同点PCA82C250PCA82C251系统额定电源电压12V12V和或24V最大的总线终端DC电压0VVCC5.5V-8VVCANL,H+18V-40VVCANL,H+40V最大的瞬间总线终端电压ISO7637-150VVtr+100V-200VVtr4.9VVCC4.5V由于PCA82C251有更高的击穿电压还可以在这个电源电压范围内驱动低至45的总线负载所以我们建议在普通的工业应用中使用这个器件而且PCA82C251在隐性状态下的拉电流更小在掉电情况下的总线输出特性有一定改善图2根据ISO11898的额定总线电平广州周立功单片机发展有限公司Tel:

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/第4页共4页124JK512151.GWM124e.g.PCx82C200CTX0/TX0CRX0/RX0CRX1/RX1TxDRxDVREFRsVGNDCANHCANLCAN_HCAN_LCANBusLineISO11898Standard100n+5V0VCCPCA82C250/251CANTransceiverCTX1/TX1Px,yRext0Veitherconnectiontoanoutputportpin,ifstandbymodeshallbepossibleorconnectiontogroundCAN-ContolleruC输出控制寄存器的编程举例输出控制TX0推挽输出显性低例如1Ahex图3PCA82C250/251收发器的应用举例2.1应用举例PCA82C250/251收发器的典型应用如图3所示协议控制器通过串行数据输出线TX和串行数据输入线RX连接到收发器收发器通过有差动发送和接收功能的两个总线终端CANH和CANL连接到总线电缆输入Rs用于模式控制参考电压输出VREF的输出电压是额定VCC的0.5倍其中收发器的额定电源电压是5V协议控制器输出一个串行的发送数据流到收发器的TxD引脚内部的上拉功能将TxD输入设置成逻辑高电平也就是说总线输出驱动器默认是被动的在隐性状态中见图2CANH和CANL输入通过典型内部阻抗是17k的接收器输入网络偏置到2.5V的额定电压另外如果TxD是逻辑低电平总线的输出级将被激活在总线电缆上产生一个显性的信号电平见图2输出驱动器由一个源输出级和一个下拉输出级组成CANH连接到源输出级CANL连接到下拉输出级在显性状态中CAN_H的额定电压是3.5VCAN_L是1.5V广州周立功单片机发展有限公司Tel:

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/第5页共5页124CTX0/TX0CRX0/RX0JK512152.GWMCRX1/RX14.3k6.2kR6N137360360100n360100nTxDRxDVREFRsVGNDCANHCANLCAN_HCAN_LCANBusLineISO11898Standardn.c.100n+5V+5V360+5V0V0V6N137IsolationCC124PCA82C250/251CANTransceiverCTX1/TX1CAN-Contollere.g.PCx82C200+5V+5V0V5VRegulatorRSTeitherconnectiontohigh-activeresetsignalorconnectiontogroundext输出控制寄存器的编程举例输出控制TX0推挽显性低例如1Ahex图4接口使用光耦进行电流隔离的应用举例注意如果位速率很高例如高于500kbit/s则应考虑使用延迟小于40ns的高速光耦譬如HCPL-7101如果没有一个总线节点传输一个显性位总线处于隐性状态即网络中所有TxD输入是逻辑高电平另外如果一个或更多的总线节点传输一个显性位即至少一个TxD输入是逻辑低电平则总线从隐性状态进入显性状态线与功能接收器的比较器将差动的总线信号转换成逻辑信号电平并在RxD输出接收到的串行数据流传送到总线协议控制器译码接收器的比较器总是活动的也就是说当总线节点传输一个报文时它同时也监控总线这就要求有诸如安全性和支持非破坏性逐位竞争等CAN策略一些控制器提供一个模拟的接收接口广州周立功单片机发展有限公司Tel:

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/第6页共6页RX0RX1RX0一般需要连接到RxD输出RX1需要偏置到一个相应的电压电平这可以通过VREF输出见图3或一个电阻电压分配器见图4实现图3中收发器直接连接到协议控制器及其应用电路如果需要电流隔离光耦可以如图4一样放置在收发器和协议控制器之间使用光耦时要注意选择正确的默认状态特别是在隔开的协议控制器电路一边没有上电时这种情况下连接到TxD的光耦应该是暗的即LED关断当光耦是断开暗时收发器的TxD输入是逻辑高电平可以达到自动防故障的目的使用光耦还要考虑到将Rs模式控制输入连接到高电平有效的复位信号例如当本地收发器电源电压在斜率上升和下降过程中没有准备好的情况下禁能收发器然而在协议控制器和收发器之间使用光耦通常会增加总线节点的循环延迟信号在每个节点要从发送和接收路径通过这些器件两次这将减少位速率给定时可使用的最大的总线长度这在计算由于CAN网络中的传播延迟而造成限制可以使用的最大总线长度时要考虑更详细的信息请参考42.2参考电压输出PCA82C250提供了一个参考电压输出VREF它可以像图3所示用于偏置CAN协议控制器差动输入比较器的其中一个输入参考电压也可以像图4一样在协议控制器输入处产生系统使用哪个解决方法更适合由应用和协议控制器的总线输出结构决定3工作模式PCA82C250和PCA82C251共有三种不同的工作模式模式控制通过Rs控制引脚提供第一种模式是高速模式它支持最大的总线速度和或长度第二种是斜率模式当使用非屏蔽的总线电缆时可以考虑使用这种模式这种模式的输出转换速度可被故意降低以减少电磁辐射第三种是准备模式这种模式在电池供电的应用要求系统功率消耗非常低的应用中非常有用在准备模式中传输一个报文就可以将系统激活图3是收发器在准备模式和普通工作模式间切换的例子?

Px,y=高PCA82C250/251切换到准备模式VRs0.75Vcc?

Px,y=低PCA82C250/251切换到普通工作模式普通工作模式可以是高速模式或低斜率模式由连接到Rs的电阻决定下面是合适的斜率控制电阻Rext的阻值?

0Rext1.8k高速模式VRs0.3Vcc?

16.5kRext140k斜率控制模式10A-IRs200A下面我们将更详细地讨论这三种操作模式3.1高速模式在这个模式中适合执行最大的位速率和或最大的总线长度高速模式通常用于普通的工业应用譬如基于CAN的系统DeviceNetTM这种模式的总线输出信号用尽可能快的速度切换因此一般使用屏蔽的总线电缆来防止可能的扰动例如汽车无线电装置对总线信号的扰动高速模式通过VRs85时是155ns根据CAN位定时的要求有效的循环延迟是的显性边沿循环延迟以及显性和隐性边沿循环延迟的平均值之中的最大值tloop.eff=max0.5x（tonRxD+toffRxD）,tonRxD广州周立功单片机发展有限公司Tel:

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/第7页共7页3.2斜率控制模式在一些应用中由于考虑到系统的成本等问题而使用非屏蔽的总线电缆然而使用非屏蔽电缆意味着收发器要满足额外的要求譬如电磁兼容性EMC问题如果使用非屏蔽总线电缆PCA82C250/251的总线信号转换速度应被特意降低转换速度可以通过连接在控制引脚Rs上的串连阻抗值Rext来调整根据CAN的位定时要求转换速度下降将增加总线节点的循环延迟因此在给定的位速率下总线长度减少或者说在给定的总线长度下位速率降低斜率控制模式中总线输出的转换速度大致和流出引脚Rs的电流成比例电流范围在10A-IRs200中见数据表12如果Rs引脚的输出电流在这个范围中引脚Rs将输出大约0.5Vcc的电压当在Rs引脚和地电平之间应用一个适当的电阻时收发器被设置成斜率控制模式单凭经验来说这个电阻阻值要在范围16.5kRext140k之间才符合上面所说的Rs输出电流范围适当的Rext范围可以用下面的斜率控制模式的界限值计算10A-IRs200A和0.4xVccVRs20060601AVV.IVV.Rmax.OLmin.ccmin.Rsmax.OLmin.ccext=0.75Vcc时进入准备模式系统的功耗在准备模式可被彻底减低这个模式基本上用于电池供电的应用例如汽车停车的时候要进入准备模式收发器的控制输入Rs上要加一个逻辑高电平这可以通过直接将一个输出端口引脚连接到Rs或通过任何合适的斜率控制电阻Rext来实现准备模式中发送器的功能和接收器的输入偏置网络都关断以减少功率消耗参考电压输出和基本的接收器功能仍然活动但以非常低的功耗工作如果在总线上传输一个报文系统可被重新激活在检测到3s长的显性总线电平后收发器将通过RxD向协议控制器输出一个唤醒中断信号在检测到RxD的下降沿后控制器把Rs引脚置为逻辑低电平这样收发器就可以切换到普通传输模式由于在准备模式中工作速度缓慢收发器要回到普通接收速度则需要取决于逻辑的延迟时间Rs的下降沿在总线速度很高的情况下收发器在准备模式例如因为Rs引脚仍然为高中不可能正确地接收报文另外一个应用是将Rs输入连接到一个高电平有效的复位信号举个例子在收发器和协议控制器使用不同的电源供电譬如使用光耦时见图44斜率控制功能4.1转换速度的计算像上面所说的总线输出信号的转换速率slewrateSR和流出引脚Rs的电流IRs成比例由于电流主要由斜率控制电阻的阻值Rext决定所以使用不同的阻值就有不同的转换速度要注意单端（singleended）转换速度单独提供每个总线电压和差动转换速度提供CANH和CANL之间的差动电压不同图5给出的是典型的单端转换速度值和斜率控制阻抗值之间的关系及函数见方程4广州周立功单片机发展有限公司Tel:

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/第8页共8页10501001405101520RextslewrateforkWV/msCANH,CANLsingleended图5转换速度和斜率控制阻抗值的关系这些值是从数据表1和2中典型的转换速率值取得SRCANH或CANL=7V/s典型值其中Rext=47连接输入Rs和0V见图3斜率控制模式中Rs的电压是VRs=0.5xVcc典型值由于SRkRVISEextRsRs=其中kSE单端转换速度常数转换速度常数单端可以用上面的典型值来计算=ks.sVkV.SRRV.kextCCSE3106774752503在斜率控制模式中电阻Rext通常连接在Rs输入和由端口输出或地线提供的逻辑低电平VOL之间因此单端转换速度和阻抗Rext之间的关系由下面的方程给出extOLRsextSEOLRsRks.VVRkVVSR=310674例1Rext=24kVOL=0V则单端转换速度是sVkks.V.Rks.V.RkVVSRextCCextSEOLRs=1424106755010675033例2如果要求单端转换速率是5V/s则典型的斜率控制电阻应是=kRksVks.V.SRks.V.SRkVVRextCCSEOLRsext686651067550106750334.2斜率控制模式中的总线长度斜率控制模式中总线输出的转换速率可被故意降低这就意味着总线节点循环延迟将增加根据CAN广州周立功单片机发展有限公司Tel:

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/第9页共9页位定时的要求这相当于系统在给定的位速度下最大的总线长度减少或者在给定的总线长度下位速率减小和高速模式相比可使用的最大总线线路长度是也见4poth.eff.loopeff.looppropmaxttttL=25其中Lmax可行的最大总线线路长度tprop最大的双向传播延迟CAN位定时tloop.eff有效的收发器循环延迟tloop.eff.oth其他元件的有效循环延迟例如CAN控制器和光耦tp总线电缆的特定延迟从方程5可以看出如果收发器的循环延迟下降则最大的总线电缆长度将上升设置成高速模式的收发器其循环延迟比设置成斜率控制模式的收发器的循环延迟要小因此如果收发器使用高速模式总线电缆长度可以更长因为更大部分的传播延迟可以用于容忍线路延迟可以用下面的方程计算增加的长度ploop.effploop.effeff.loopmaxttt（t-（tL=高速模式斜率控制模式6CAN网络中收发器的有效最大延迟对于其他器件的延迟也有效可用下面的方程计算所用的符号和缩写的意思请参看附录1tloop.eff.max=max0.5x（tonRxD+toffRxD）,tonRxD7表2给出了在高速模式和斜率控制模式下最大总线长度的差值下面的值是在认为总线电缆特征传播延迟时间是tp=5ns/m下得出表2最大总线长度的差值有效的循环延迟上限是125总线长度在两种模式下的差异1产品斜率控制模式2高速模式tloop.effLmaxPCA82C250520ns155ns365ns75mPCA82C251550ns155ns395ns80m1.总线电缆的特征传播延迟时间是5ns/m2.斜率控制电阻Rext=47k5最大的总线线路长度CAN网络中可使用的最大总线线路长度基本是由下面的物理条件作用决定1连接的总线节点CAN控制器收发器等等的循环延迟以及总线线路的延迟2由于节点间相关的振荡器容差造成位定时额度的不同3由于总线电缆的串联阻抗和总线节点的输入阻抗使信号的幅值下降条件3将在下面讨论条件1和2不会在本文档中讨论请参考4凭经验PCA82C250和PCA82C251可以在高速模式下使用下面的总线电缆长度其中为了获得最大的传播延迟CAN位定时参数可以优化表3位速度总线长度的关系位速度kbit/s总线长度m100030500100250250广州周立功单片机发展有限公司Tel:

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/第10页共10页12550062.510005.1总线电缆阻抗的影响ISO11898标准3设想网络的拓扑结构是一个接近于单线的结构以减少总线电缆上的反射图6静态条件下总线节点的差动输入电压由流过该节点差动输入电阻的电流决定显性位的时候发送节点的输出晶体管导通产生电流而晶体管在隐性位时关断因此节点产生的差动输入电压由下面的条件决定见图7?

发送节点的差动输出电压Vdiff.out?

总线电缆的阻抗Rw=xL其中=电缆单位长度的特性阻抗L=总线线路的长度?

接收节点的差动输入阻抗Rdiff在最差的情况下发送节点在总线电缆的这一端而接收节点在另一端这种情况下接收节点的差动的输入电压可用图7见附录2计算+=diffTwout.diffin.diffRnRRVV11218nnode123nodenodenodeRTRT图6总线系统的基本设置ISO11898RTRTRdiff（n-2）RWRWVdiff.inreceivinginputofterminationnodeinputsbuswiringterminationtransmittingoutputofVdiff.outRdiff（#2to#n-1）node（#1）node（#n）CAN_HCAN_L图7图6系统设置的电路框图广州周立功单片机发展有限公司Tel:

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/第11页共11页接收器将识别出一个隐性位如果差动输入电压低于0.5V或0.4V电平见1和2显性位如果差动输入电压高于0.9V或1V电平见1和2隐性电平由总线节点的偏置网络和终端电阻产生显性电平是由发送节点的驱动能力和整个网络的负载阻抗决定因此要正确检测一个显性位要求在接收节点有差动输入电压Vdiff.in.req它是由接收器的显性阀值电压Vth和用户定义的安全余量给出这个安全余量可以认为是检测显性电平的方程9中发送节点的输出电平和接收器输入阀值之差的一个分数ksm）V（VkVVthdiff.outsmthqdiff.in.re+=其中ksm=019从方程8可以明显地看出显性电平时Vdiff.in的值由下面的条件限制?

显性电平差动输出电压的最小值Vdiff.out.min?

总线电缆阻抗的最大值Rw.max?

终端电阻的最小值RT.min?

节点差动输入阻抗的最小值Rdiff.min?

连接总线的最大节点数量nmax于是有下面的关系式req.in.diffmin.diffmaxmin.Tmax.wmin.out.diffmin.in.diffVRnRRVV+=1121（10）方程10和9是计算最大总线线路长度的基础见附录3它基于?

系统中最大的节点数量nmax?

检测显性位的期望安全余差ksm?

所使用电缆的每个长度单位横截面积的最大特征阻抗maxmin.Tmaxmin.diffmin.diffmin.Tmax.thmin.out.diffsmmax.thmin.out.diffmaxmaxR）n（RRR）VV（kVVL+1121（11）通过这个方程可以计算不同电缆类型的最大总线线路长度和连接不同节点的数量一些例子在表6中给出5.2节点的最大数量收发器PCA82C250和PCA82C251的输出驱动能力可达最小RL.min=45的负载如果使用PCA82C250在驱动RL=45的负载时要求电源电压Vcc4.9V见表1可以连接到网络上的节点数量由收发器可以驱动的最小负载阻抗来决定节点的最大数量可以用图7的电路框图计算在最差的情况下总线电缆的阻抗Rw可以认为是0下面的关系式可以计算节点的最大数量min.Lmin.diffmin.Tmaxmin.diffmin.TRRR）n（RR+21=+4.9V112个节点RT=120RL=45如果使用82C250Vcc4.9V5.3举例表4是有关总线干线电缆的一对信号线要选择使用哪种横截面积的电缆广州周立功单片机发展有限公司Tel:

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/第12页共12页表4干线电缆建议的最小总线线横截面1总线长度节点的数量3264100100m0.25mm2或AWG240.25mm2或AWG240.25mm2或A