Решения компании Philips Semiconductors для шин CAN и LIN

В наше время вряд ли найдется инженерэлектронщик, не слышавший о шинах CAN и LIN. Эти интерфейсы уже завоевали прочные позиции во многих областях производства.
И с большой долей уверенности можно сказать, что и в дальнейшем количество применений CAN и LIN будет только расти. Напомним кратко об этих шинах
и их основных отличиях.

CAN

Основные характеристики шины CAN: высокая скорость передачи данных, сверхвысокая надежность
системы и ее отказоустойчивость в экстремальных условиях. Хорошим примером использования шины CAN может служить современный автомобиль.
CAN используется в таких ответственных системах автомобиля, как управление двигателем, обеспечение безопасности (подушки безопасности, АБС, контроль давления шин) и т. д. Шина CAN заняла прочные позиции не только в автомобилестроении, но и в авиации, военной технике, на железной дороге, в системах управления технологическим оборудованием.

LIN

Стандарт LIN был разработан как дешевое дополнение CAN-интерфейса в тех областях, где не требуется высокая скорость передачи данных и высокая надежность. Стандарт LIN был разработан для создания
дешевых локальных сетей обмена данными на небольших расстояниях. В автомобиле, например, такие устройства, как стеклоочистители, электростеклоподъемники, замки дверей, приводы и обогрев зеркал, а также приводы сидений объединены в единую сеть LIN.

Компания Philips Semiconductors является лидером в разработке микросхем для шин CAN и LIN.

К 2003 году компания Philips Semiconductors в общей сложности выпустила 500 млн штук CAN-трансиверов.

Рассмотрим номенклатуру трансиверов CAN и LIN на примере автомобиля. В автомобиле применяются различные электронные управляющие узлы ECU (Electronic Control Units). В зависимости от потребляемого тока эти узлы можно условно разбить на 4 вида устройств (см. рис. 1), требующих различных схемотехнических решений.

Узлы типа A

Приложения, которые должны работать всегда, даже когда автомобиль припаркован и зажигание выключено. Устройства постоянно потребляют
ток из батареи питания. Такие узлы по сложившейся на Западе традиции называют «Clamp-30». Подобные узлы должны потреблять как можно меньше энергии для сохранения заряда батареи автомобиля.

Узлы типа B

Приложения, в которых микроконтроллер всегда активен. В этих приложениях требуется уменьшить потребление энергии, и поэтому необходимо переводить трансивер в режим экономии электроэнергии. Приложения типа В относятся к узлам «Clamp-30».

Узлы типа C

В отличие от приложений типа В, в приложениях типа С требуется еще большая экономия электроэнергии, поэтому трансивер должен полностью отключаться сигналом с микроконтроллера. Такие приложения требуют абсолютно пассивного поведения отключенного трансивера по отношению к шине.

Узлы типа D

Приложения, которые полностью отключаются от питания при выключении зажигания. К таким приложениям не предъявляется требование минимального потребления тока, так как при их функционировании идет заряд батареи от работающего двигателя. Приложения типа D принято называть узлами типа «Clamp-15».

В каждом из типов узлов требуется применение различных микросхем. Рассмотрим конкретные микросхемы.

Новые высокоскоростные CAN-трансиверы TJA1040, TJA1041 и TJA1050 компании Philips основаны на передовой технологии «кремний-на-изоляторе» — SOI (Silicon-on-Insulator). Благодаря этой технологии новые
трансиверы в сравнении с трансиверами предыдущего поколения PCA82C250 и PCA82C251 имеют уменьшенный уровень электромагнитного излучения (20 дБ) и высокую устойчивость к электромагнитному излучению.

Трансивер TJA1040 имеет режим Standby с удаленным запуском по шине и потреблением тока в этом режиме менее 15 мкА.
TJA1040 рекомендуется для приложений, постоянно подключенных к линии питания «Clamp-30» и содержащих микроконтроллер (см. рис. 2). Кроме того, TJA1040 имеет абсолютно пассивное поведение при отключении питания, и поэтому невидим для шины. Эта особенность трансивера TJA1040 делает его пригодным также для применений
в узлах типа «Clamp-15», когда при выключенном зажигании другие узлы общаются по CAN-шине.

Трансивер TJA1041 имеет несколько особенностей в сравнении с TJA1040:

• спящий режим с потреблением тока всего узла 20 мкА;
• удаленный запуск по шине и локальный запуск через специальный вывод, что позволяет определить источник запуска;
• уникальные возможности диагностики и сигнализации отказа шины:
• сигнализация коротких замыканий, включая «скрытые»;
• сигнализация о локальных сбоях.

Благодаря этим свойствам TJA1041 имеет очень гибкую систему управления потреблением тока и рекомендуется для применения в узлах типа А (см. рис. 2).

Трансивер TJA1050 имеет схожие с TJA1040 характеристики, но при отключенном питании во время общения других устройств отдает вшину обратный ток. (TJA1040 имеет нулевой обратный ток.) Обратный ток немного увеличивает электромагнитное излучение шины.
Поэтому если требования к электромагнитной совместимости не очень высокие, а требования к цене устройства очень жесткие, то рекомендуется в узлах типа D применять TJA1050. (TJA1050 дешевле TJA1040 на 20–30%).

Рекомендуемые варианты использования микросхем семейства TJA1040/41/50 в узлах шины А, В, С и D представлены на рис. 2.

Кроме высокоскоростных трансиверов TJA1040/41/50 компания Philips выпускает помехозащищенные приемопередатчики FT-CAN (FT — Fault-tolerant, то есть помехозащищенный) TJA1054 и TJA1054A. Они идентичны высокоскоростным трансиверам TJA1040, 41 и 50, но обладают повышенной помехозащищенностью. Ниже представлены основные отличия FT-CAN-приемопередатчиков TJA1054 и TJA1054A.

TJA1054

• TJA1054 является «образцовым» устройством, так как по нему фактически был написан стандарт ISO11898-3 (FT-CAN).
• Спящий режим с потреблением тока для всего узла 30 мкА.
• Великолепные параметры ЭМС благодаря технологии SOI.
• Уникальные дополнительные функции отказобезопасности (аналогичные TJA1041).
• Абсолютно пассивное поведение при отключении питания.
• Нулевой обратный ток.

TJA1054A

• Версия TJA1054 с улучшенной защитой от электростатического разряда: – защита до 4 кВ в модели человеческого тела по выводам CANH, CANL, RTH, RTL (по сравнению с 2 кВ в TJA1054); – защита до ±300 В в машинной модели (по сравнению с ±175 В в TJA1054).
• Остальные технические параметры идентичны TJA1054.
• Полностью соответствует ISO11898-3.
• Рекомендуется как FT-CAN-трансивер в новых разработках.

Компания Philips также выпускает специальный трансивер, работающий с однопроводной шиной CAN. Трансивер был специально разработан для узкого сегмента рынка с требованиями минимальной стоимости реализации шины. Это 1W-CAN-приемопередатчик AU5790 (1W — однопроводной).

Основные параметры приемопередатчика AU5790:

• Скорость передачи данных 40 кбит/с.
• Скорость получения данных 100 кбит/с.
• Инновационные функции экономии энергии.
• Уникальные функции запуска позволяют осуществлять коммуникацию двух устройств без запуска всех шин.
• Обеспечивает работу шины в припаркованном автомобиле.
• Спящий режим с потреблением 70 мкА.
• Функция защиты от потери «земли».
• Поддержка до 32 узлов.

Мы рассмотрели всю номенклатуру CAN трансиверов Philips. Как видим, инженеру есть из чего выбрать. В устройстве можно применить дорогие трансиверы с идеальными характеристиками или разработать устройство
на дешевых микросхемах для приложений, не предъявляющих жестких технических требований.

Теперь рассмотрим, какие же решения предлагает Philips для LIN-приложений.

Приемопередатчик TJA1020

Основные параметры приемопередатчика TJA1020:

• Лучшее в классе потребление энергии — потребление всего узла в спящем режиме всего 3 мкА.
• Лучшие в классе параметры ЭМС благодаря технологии SOI.
• Уникальные возможности по отказобезопасности.
• Питание стабилизатора напряжения от вывода INH! (позволяет использовать более дешевый стабилизатор напряжения).
• Распознавание источника запуска — различие локального и удаленного запуска позволяет решать локальные задачи локально, без запуска всей сети.
• Пассивное поведение при отключении питания — нулевой обратный ток.
• Уровни входов совместимы с контроллерами 3,3 и 5 В.

Как упомянуто выше, LIN-приемопередатчик TJA1020 имеет лучшие в классе параметры по электромагнитной совместимости.

На рис. 3 показана схема типичного включения TJA1020. Микроконтроллер P87LPC764 и трансивер TJA1020 образуют Slave-устройство. Микроконтроллер управляет приемопередачей по шине LIN и может переводить
TJA1020 в спящий режим. UART может быть запрограммирован на частоты 2400, 9600 и 19200 бит/с или на другие частоты в зависимости от частоты кристалла. Как видно
из примера, TJA1020 занимает у микроконтроллера минимальные ресурсы: выводы UART и один вывод прерывания. Это Slave-устройство может использоваться для считывания
команд с кнопок управления различными двигателями автомобиля, например двигателями стеклоподъемника.

В данный момент компания Philips ведет разработки микросхем CAN/LIN нового поколения. Это будут «системы-на-чипе» под названием UJA106x. В состав микросхемы будет входить CAN- и LIN-приемопередатчик, два стабилизатора напряжения, 16-битный интерфейс управления SPI, разнообразные функции защиты от опасных состояний. Блок-схема нового чипа показана на рис. 4.

Так, например, для создания системы управления двигателем автомобиля к новому чипу необходимо будет добавить всего лишь один микроконтроллер и получится готовое устройство, имеющее очень привлекательную цену.

Компания Philips также недавно анонсировала новое решение для более дешевого построения шины LIN в автомобиле — микросхему UJA1023. Построение сети на основе UJA1023 позволяет снизить стоимость решения на 10%. UJA1023 представляет собой расширитель LIN-шины. С его помощью подключать до 8 LIN-узлов. Например, светодиодную подсветку, кнопки, датчики, силовые ключи для управления лампами и моторами. Выводы микросхемы могут быть сконфигурированы для управления верхними и нижними ключами или как канал PWM.

В состав UJA1023 входят:

• LIN-трансивер;
• 30-килоомный резистор (необходимый для устройств LIN-Slaves);
• регулятор напряжения;
• осциллятор;
• восемь двунаправленных входов-выходов;
• блок автоматической синхронизации скорости передачи данных от 1 до 20 кбит/с;
• 8-битный АЦП. Основные параметры UJA1023:
• низкое энергопотребление;
• конфигурируемый спящий режим;
• очень низкая эмиссия электромагнитного излучения;
• высокая устойчивость к электромагнитному излучению;
• линия шины защищена от опасных состояний;
• диапазон рабочих температур — от –40 до +125 °С.

Структурная схема UJA1023 представлена на рис. 5.

Для российского рынка наиболее интересным примером применения микросхемы UJA1023 может служить модуль управления освещением автомобиля. При использовании
микросхемы UJA1023 нет необходимости перекраивать стандартную проводку автомобиля. Все цепи управления можно легко разместить в стандартном разъеме лампы. Структурная схема такой реализации показана на рис. 6.