Обзор

Ресурсы проектирования

Файлы проектирования и интеграции

  • Схема
  • Спецификация
  • Файлы Gerber
  • Файлы Allegro
  • Сборочный чертеж
Загрузить файлы проектов 1.33 M

Оценочные платы

Буква "Z" в наименовании компонента указывает на соответствие требованиям RoHS. Отмеченные платы нужны для оценки данной схемы

  • EVAL-ADICUP3029 ($52.97) Ultra-Low Power, Cortex M3 Arduino form factor compatible Development Platform
  • EVAL-ADM3055E-ARDZ ($57.67) CAN to SPI Arduino Shield
Проверка наличия и приобретение

Особенности и преимущества

  • Полностью изолированная шина CAN FD
  • Работает в режиме ожидания и в режиме с возможностью удаленного пробуждения
  • Подключаемая оконечная нагрузка
  • Форм-фактор шилда Arduino

Функции и преимущества схемы

Шина CAN FD (контроллерная сеть с изменяемой скоростью передачи данных) обеспечивает более широкую полосу пропускания, необходимую для многоузловых сетей, применяемых в системах промышленной автоматизации, системах отопления, вентиляции и кондиционирования, сельском хозяйстве и здравоохранении. Схема, представленная на рисунке 1 и реализованная в виде платформы с форм-фактором Arduino, обеспечивает передачу данных по шине CAN FD со скоростью до 8 Мбит/с с возможностью подключения к существующей шине последовательного периферийного интерфейса (SPI).

Приемопередатчик шины CAN FD имеет изолированные каналы передачи сигналов и питания. Интегрированный изолированный DC/DC преобразователь принимает напряжение питания со стороны управляющей цепи с целью его передачи на изолированные каналы на стороне шины, благодаря чему в данном случае для шины CAN FD не требуется внешний источник питания.

Изолированный приемопередатчик характеризуется высокой устойчивостью к электромагнитным помехам. Благодаря расширенному диапазону синфазного напряжения ±25 В данный компонент превосходит требования стандарта ISO11898- 2:2016 и обеспечивает высокую устойчивость к локализованным разностям потенциалов земли при приеме кадров шины CAN. Встроенная цепь защиты от электростатического разряда обеспечивает защиту от электростатических разрядов на выводах шины CANH и CANL в соответствии со стандартом IEC 61000-4-2. Выводы дифференциальной шины устойчивы к неправильному подключению и короткому замыканию в системах с напряжением 24 В благодаря защите от перенапряжений ±40 В на выводах CANH и CANL.

С помощью шины CAN можно соединить друг с другом как два узла, так и сотни узлов. Связь между узлами может быть организована с использованием кабелей разных типов в зависимости от требований конечной системы. В качестве кабелей можно использовать как более дешевую неэкранированную витую пару, например, кабель Cat5e, так и более качественный экранированный кабель, такой как кабель PROFIBUS. Независимо от типа кабеля шина CAN соединяет один узел с другим гирляндной цепью и имеет оконечные нагрузки на обоих концах. Подключение кабелей к узлам шины может быть осуществлено с использованием винтовой клеммы или 9-контактного порта sub-D типа «папа» стандарта CAN CiA 303-1.

С целью реализации оконечной нагрузки шины в схеме используется встроенный дополнительный изолированный цифровой канал для динамической конфигурации оконечной нагрузки шины. Схема подключаемой оконечной нагрузки соединяет оконечную нагрузку 120 Ом с установленным между линиями шины CAN фильтрующим конденсатором синфазного сигнала. С помощью подключаемой оконечной нагрузки можно программно конфигурировать расположение оконечной нагрузки при изменении шины CAN. Благодаря подключаемой оконечной нагрузке каждую плату можно использовать для любого узла на пути прохождения сигнала, просто изменив программное обеспечение.

Кроме того, схему можно конфигурировать во время работы с помощью программного обеспечения с целью ее перевода в режим ожидания с пониженным энергопотреблением. В таком состоянии изолированный приемопередатчик CAN FD будет отвечать только на получение последовательности сигналов удаленного пробуждения от удаленного узла в соответствии со стандартом ISO11898-2:2016.

Рисунок 1. Упрощенная схема платы EVAL-ADM3055E-ARDZ

Описание схемы

Протокол CAN FD

Шина CAN была разработана как надежная сеть связи, которая позволяет исключить необходимость организации связи типа «точка-точка» между отдельными микроконтроллерами. Вместо того, чтобы организовывать подключение каждой точки (или узла в терминологии CAN), которые должны обмениваться информацией друг с другом, каждый узел подключают к одной витой паре. Такая конфигурация позволяет снизить стоимость и сложность проводки. В отличие от многих других протоколов, в сети CAN могут быть несколько ведущих, и физическое расположение узла не определяет, какой узел имеет приоритет на шине CAN. В рамках данной сети взаимоотношения ведущий/ведомый, как в случае с протоколами SPI, I2C или RS-485, где один узел управляет и контролирует сеть, не существует. Вместо этого именно идентификатор сообщения или запрограммированный уровень важности сообщения определяет приоритет узла для управления шиной. Один узел может отправлять сообщение или устанавливать различные уровни приоритета. В указаниях по применению AN-1123, носящих название «Controller Area Network (CAN) Implementation Guide» (Руководство по реализации шины CAN), содержится дополнительная информация по этому вопросу.

Контроллеры, совместимые с протоколом CAN FD, обратно совместимы с классическим протоколом CAN и поддерживают работу с кадрами классического протокола CAN. В данном случае группы узлов могут обмениваться данными по классическому протоколу CAN, в то время как другие узлы могут обмениваться данными по протоколу CAN FD в той же сети. Тем не менее, при добавлении узлов CAN FD необходимо учитывать год выпуска имеющихся контроллеров CAN. Старые контроллеры классического протокола CAN могут идентифицировать фазу арбитража кадра CAN FD как ошибку и создать кадр ошибки, который перезапишет кадр CAN FD. Такие контроллеры делают невозможным обмен данными по протоколу CAN FD. Эти контроллеры необходимо заменить или ограничить работу будущих узлов так, чтобы они обменивались данными в соответствии с классическим протоколом CAN. Используемый в данной схеме контроллер MCP2518FD может работать как с классическим протоколом CAN, так и с протоколом CAN FD. Данный контроллер не генерирует ошибок при приеме кадров CAN FD во время работы с классическим протоколом CAN.


Малая задержка распространения контура и высокая скорость передачи данных

Отличительной особенностью протокола CAN является фаза арбитража в начале каждого кадра. Узлы осуществляют арбитраж между собой с целью определения приоритета передачи сообщений, при этом каждый из узлов передает последовательность доминирующих и рецессивных битов. Каждому биту требуется определенное количество времени для распространения по сети, и каждый узел, участвующий в арбитраже, должен иметь достаточно времени, чтобы ответить. Это означает, что во время фазы арбитража максимальная скорость передачи данных ограничена наибольшим общим временем распространения сигнала между любыми двумя контроллерами в сети CAN.

Как показано на рисунке 2, путь прохождения сигнала берет свое начало с того момента, когда контроллер CAN узла А начинает передачу. Этот сигнал сначала отправляется в передатчик узла A, а затем он распространяется по кабелям, после чего поступает на приемник самого дальнего узла и, наконец, достигает самого дальнего контроллера CAN. Во время фазы арбитража принимающий узел также может осуществлять передачу, поэтому также необходимо учитывать задержку распространения сигнала от узла B к узлу A. Наихудшее время этой задержки распространения определяет абсолютную максимальную скорость передачи данных фазы арбитража.

Рисунок 2. Общая задержка распространения в шине CAN


Задержка распространения по линиям шины увеличивается с увеличением длины и в зависимости от структуры кабеля. Длина кабеля, как правило, определяется расстоянием между точками физического пространства, в которых должны быть расположены узлы, и после прокладки кабеля эта часть задержки распространения сигнала становится постоянной. Задержка распространения через приемопередающие и приемные схемы приемопередатчиков называется задержкой распространения контура. ADM3055E имеет самую наименьшую в отрасли задержку распространения контура, составляющую всего 150 нс, что позволяет проектировщику сети выделять приемопередатчику меньше времени на передачу битов. Такое сокращение времени может привести к повышению скорости передачи данных при арбитраже, а также позволит использовать более длинные кабели для организации шины или увеличить время установления сигнала шины с целью повышения надежности связи при любой скорости передачи данных во время арбитража. Более подробную информацию об общей задержке распространения и оптимизации сетей CAN можно найти в статье журнала Analog Dialog «Configure Controller Area Network (CAN) Bit Timing to Optimize Performance» (Настройка битовой синхронизации в шине CAN с целью оптимизации передачи данных).

Максимальная скорость передачи данных в фазе передачи данных кадра CAN FD, напротив, определяется не задержкой распространения, а качеством сигнала сети. Одними из факторов, ограничивающими скорость передачи данных в сетях с большим количеством узлов, являются отражения сигналов из-за несоответствия импеданса и ответвлений кабеля. По мере распространения многоузловых сетей CAN FD скорость передачи данных 2 Мбит/с становится популярным выбором. Приемопередатчик с изолированными каналами передачи сигналов и питания ADM3055E может работать со скоростью передачи данных до 12 Мбит/с, благодаря чему обеспечивается очень быстрая передача данных в рамках соединений типа «точка-точка», при этом он может использоваться в сетях с большим количеством узлов, обмен данными по которой в будущем может осуществляться с более высокой скоростью.


Режим ожидания и удаленное пробуждение

Контроллер CAN FD и изолированный приемопередатчик CAN FD могут быть переведены в режим ожидания с помощью команд, выдаваемых платформой разработки по шине SPI. Контроллер CAN FD переводит себя и изолированный приемопередатчик CAN FD в режим ожидания. В режиме ожидания функция передачи приемопередатчика отключена, а его выход установлен в состояние высокого импеданса.

Приемопередатчик может быть выведен из режима ожидания только местным контроллером CAN FD, однако приемопередатчик может отвечать на удаленные запросы на пробуждение, отправляемые другими узлами. Последовательность сигналов удаленного пробуждения определена в стандарте ISO11898-2:2016 и приведена в технической документации на ADM3055E. Эта последовательность может быть отправлена в поле арбитража кадра без данных или может быть отправлена в поле данных. Она должна соответствовать только временным требованиям приемопередатчика. После получения такой последовательности состояние линии RXD приемопередатчика ADM3055E изменяется в ответ на низкоскоростные данные на шине CAN FD.

Изменения состояния линии RXD используются для запуска прерывания контроллера CAN FD. Когда приемопередатчик ADM3055E получает последовательность сигналов удаленного пробуждения, он не выходит из режима ожидания. От разработчика зависит решение относительно того, следует ли отвечать, или изменить состояние линии режима ожидания приемопередатчиков, чтобы прекратить прием низкоскоростных данных и вернуться в режим ожидания с пребыванием в нем до тех пор, пока снова не будет получена последовательность сигналов удаленного пробуждения. В режиме ожидания изолированный дополнительный канал приемопередатчика фиксируется в последнем состоянии, а интегрированный изолированный DC/DC преобразователь isoPower®, имеющийся в составе данного приемопередатчика, продолжит работать, обеспечивая питание схем на стороне шины.


Изоляция

Жесткие условия окружающей среды, большое расстояние между узлами и различные источники питания между ними зачастую могут приводить к тому, что узлы будут иметь разные местные потенциалы заземления. Разные местные потенциалы заземления заставляют токи течь через заземляющий провод, из-за чего будут наблюдаться синфазные смещения и генерироваться шум. Изоляция линий физической шины позволяет разорвать контуры заземления и устранить эти проблемы. ADM3055E разрывает контуры заземления и имеет сертификат безопасности на системном уровне, который гарантирует то, что каналы передачи сигналов и питания данного компонента могут выдержать среднеквадратическое напряжение 5 кВ между узлом CAN FD и линиями шины CAN.


Подключаемая оконечная нагрузка

Для достижения высочайшей целостности сигнала следует использовать оконечные нагрузки на обоих концах шины CAN. Подключаемая оконечная нагрузка позволяет с помощью программного обеспечения изменять местоположение оконечной нагрузки. Такое управление с помощью программного обеспечения полезно для перенастройки сети CAN на лету при необходимости добавления или удаления узлов.

Чтобы обеспечить максимальную надежность сети, схема оконечной нагрузки не должна ограничивать диапазон синфазного напряжения. На эту схему также не должен влиять диапазон синфазного напряжения, а именно она должна оставаться выключенной, когда ей была подана команда на выключение, и оставаться включенной, когда ей была подана команда на включение. Чтобы соответствовать требуемым характеристикам всей схемы, схема оконечной нагрузки на оценочной плате EVAL-ADM3055E-ARDZ может подключаться к передающему узлу с помощью очень компактных оптических изолированных твердотельных реле типа SPST (один полюс, одно направление).

Возможность осуществления управления реле посредством дополнительного изолированного канала ADM3055E означает, что реле не перекрывают изолирующий барьер. Поскольку реле не перекрывают изолирующий барьер, они не обязаны осуществлять функцию безопасной изоляции и могут быть выбраны так, чтобы иметь наименьший возможный размер с целью экономии площади, занимаемой на печатной плате.

Сопротивление оконечной нагрузки 120 Ом можно установить с помощью одного резистора. Тем не менее, использование двух последовательно соединенных резисторов по 60 Ом каждый позволит реализовать недорогую меру защиты от электростатических разрядов для обоих контактов реле, подключенных к шине CAN. Реализация схемы подключаемой оконечной нагрузки со вторым реле позволяет установить фильтрующий конденсатор. Этот дополнительный конденсатор вместе с разделенными резисторами оконечной нагрузки образуют фильтр нижних частот, который позволяет уменьшить синфазный шум на шине CAN.

Рисунок 3. Подключаемая оконечная нагрузка сопротивлением 120 Ом, реализуемая с помощью двух фотореле PhotoMOS, управляемых посредством дополнительного канала


Бесшумный режим и режим управления наклоном сигнала

Схема CN-0401 также позволяет определять скорости передачи данных по шине с помощью настраиваемого программного обеспечения методом проб и ошибок в сочетании с так называемым бесшумным режимом (Silent mode) приемопередатчика. В бесшумном режиме канал передачи приемопередатчика отключается, при этом контроллеру CAN позволяется создавать кадры ошибок при попытке синхронизации со скоростью передачи данных по шине без прерывания трафика шины этими кадрами ошибок.

Схема CN-0401 обеспечивает доступ к режиму управления наклоном сигналов ADM3055E. При низкоскоростной передаче сигналов управление наклоном снижает скорость нарастания переходов рецессивных сигналов в доминирующие на линиях CANH и CANL. Уменьшение скорости нарастания позволяет уменьшить до минимума электрический «звон» и электромагнитные помехи, вызванные быстрыми фронтами. Но не следует использовать режим управления наклоном при высокоскоростной передаче сигналов.


Контроллер CAN FD

На плате EVAL-ADM3055E-ARDZ установлен внешний контроллер CAN FD MCP2518FD. Данный контроллер и приемопередатчик ADM3055E могут работать как в устаревшей сети CAN, так и в сетях CAN 2.0B и CAN FD. При подключении к шине CAN или CAN 2.0B потребуется выполнить некоторые изменения программного обеспечения.

Отдельный контроллер шины CAN и ADM3055E представляют собой удобную возможность для разработчиков систем добавлять один или несколько изолированных портов CAN к существующим проектам с простым подключением к универсальному порту SPI. MCP2518FD может работать с максимальной скоростью передачи данных в соответствии с протоколом CAN FD, составляющей 8 Мбит/с. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с технической документацией на MCP2518FD.

Основные варианты исполнения

На плате EVAL-ADM3055E-ARDZ установлен приемопередатчик ADM3055E. Этот приемопередатчик с усиленной изоляцией каналов передачи сигналов и питания способен выдерживать в течение одной минуты перенапряжения величиной 5 кВ ср.кв. Минимальная длина пути утечки 8,3 мм удовлетворяет повышенным требованиям стандартов безопасности. В системах, где требования к изоляции не так строги, а в приоритете минимизация занимаемого на печатной плате места, можно использовать ADM3057E. В системах, где доступно питание на стороне шины, можно использовать приемопередатчик ADM3056E с усиленной изоляцией каналов передачи сигналов.

Оценка параметров и тестирование схемы

В данном разделе описывается простая процедура оценки работы платы EVAL-ADM3055E-ARDZ с использованием платы EVAL-ADICUP3029. Для получения дополнительной информации о настройке аппаратного и программного обеспечения ознакомьтесь с руководством пользователя на плату EVAL-ADM3055E-ARDZ (Обзор шилда CN0401 (EVALADM3055E-ARDZ)).


Требуемое оборудование

  • ПК с портом USB и операционной системой Windows® 7 (32-разрядная версия) или выше
  • Последовательный терминал, например, PuTTY или Tera Term
  • Две оценочные платы EVAL-ADM3055E-ARDZ
  • Две платы разработки EVAL-ADICUP3029
  • Среда разработки CrossCore® Embedded Studio или готовый файл с расширением .hex


Начало работы

  1. Откройте проект CN0401 в среде разработки CrossCore Embedded Studio.
  2. Убедитесь, что все пользовательские настройки верны и соответствуют тому, что приведено в руководстве пользователя платой EVAL-ADM3055E-ARDZ.
  3. Скомпилируйте проект и загрузите проект на плату ADICUP3029 (или скопируйте (перетащите) предварительно созданный hex-файл на запоминающее устройство платы ADICUP3029).


Функциональная блок-схема

На рисунке 4 представлена функциональная блок-схема испытательной установки. Программное обеспечение платы обеспечивает интерфейс командной строки (CLI), команды на который подаются посредством последовательного терминала, запущенного на ПК. Через последовательный терминал пользователь может управлять другими узлами и отправлять сообщение для удаленного пробуждения.

Рисунок 4. Функциональная блок-схема установки для испытания EVAL-ADM3055E-ARDZ


Испытательная установка

Узел шины CAN настраивается путем установки платы EVAL-ADM3055EARDZ на плату EVAL-ADICUP3029 с помощью разъемов, совместимых с форм-фактором Arduino, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Настройка узла шины CAN с использованием плат EVAL-ADM3055E-ARDZ и EVALADICUP3029


Проверка связи и возможности удаленного пробуждения

>После загрузки примера программного обеспечения, скомпилированном и загруженном на два разных узла шины CAN, две платы (при наличии проводной связи по шине CAN) будут обмениваться данными друг с другом по протоколу CAN FD. На рисунке 6 показано подключение двух узлов шины CAN.

Рисунок 6. Испытательная установка с подключенными друг к другу двумя узлами CAN


По умолчанию скорость арбитража и передачи данных составляет 500 Кбит/с и 2 Мбит/с соответственно. Платы подключаются к ПК через кабель USB, и каждый узел имеет собственный интерфейс командной строки, управляемый посредством последовательного терминала. Такая конфигурация позволяет реализовать двустороннюю связь между устройствами по протоколу CAN FD, и эти устройства становятся двумя независимыми узлами на шине CAN.

Сначала все устройства находятся в спящем режиме, но через интерфейс командной строки можно дать команду на пробуждение и отправку по шине CAN сообщения формата ASCII. При передаче сообщения предусматривается время ожидания 5 секунд, и сообщение повторно отправляется, пока факт передачи не будет подтвержден другим узлом. Сообщение, в особенности более медленная фаза арбитража, пробуждает другой узел, который подтверждает получение сообщения и выводит его в интерфейс последовательного терминала, соответствующего этому узлу. После этого оба узла снова переходят в спящий режим.

После подключения к ПК каждому узлу шины CAN можно давать команду на выполнение кольцевой проверки линии связи. Контроллер шины CAN переводится в режим внешней кольцевой проверки линии связи, в рамках которого линия передачи внутренне соединяется с линией приема. При этом по шине CAN передается специальное сообщение и проверяется, получил ли узел то же самое сообщение. Если получено сообщение кольцевой проверки, оно отображается в формате ASCII в интерфейсе командной строки, при этом светодиоды на плате ADICUP3029 начинают мигать. На рисунке 7 показан снимок экрана с полученным через последовательный терминал сообщением.

Рисунок 7. Снимок экрана с сообщением, отображаемым в последовательном терминале

Образцы

Оценочные платы

Цена указана за одну единицу.

Через сайт Analog.com можно приобрести не более двух оценочных плат. Чтобы заказать более двух оценочных плат, пожалуйста, совершайте покупку через наших дистрибьюторов.

Цены указаны за одну штуку, в долларах США, на условиях ФОБ. Являются рекомендованными розничными ценами в США, приведены только для примерного расчета и могут меняться. Международные цены могут отличаться на величину местных пошлин, налогов, сборов и курсов валют.