使用CAN收发器增强您的应用设计

控制器局域网 （CAN） 总线起源于 Robert Bosch GmbH，协议规范于 1986 年在汽车工程师协会 （SAE） 会议上正式发布。由英特尔和飞利浦生产的第一款 CAN 控制器芯片于 1987 年上市。1991 年，梅赛德斯-奔驰发布了第一款采用基于 CAN 的多路布线系统的量产车。它是标准的汽车网络，可让汽车大大减小线束尺寸和重量。

已经提出了 CAN 连接的替代方案，但 CAN 仍然存在并且正在增长。事实上，它的用途正在远远超出汽车领域，并扩展到工厂自动化和物联网 （IoT） 等多种领域。CAN 收发器是可以增强您的设计的众多模拟构建模块之一。你甚至可以称他们为模拟英雄。

CAN 总线类型

CAN 2.0A 设备协议使用 11 位标识符，使用 29 位标识符的协议通常称为 CAN 2.0B。罗伯特波什仍然是领先的规格。根据维基百科，国际标准化组织于 1993 年发布了 CAN 标准 ISO 11898，后来又被重组为两部分。ISO 11898-1 涵盖数据链路层，而 ISO 11898-2 涵盖高速 CAN 的物理层。ISO 11898-3 稍后发布，涵盖了低速容错 CAN 的物理层。

SAE J1939 标准是卡车和公共汽车广泛使用的 CAN 协议标准。CAN 总线是车载诊断 （OBD）-II 车辆诊断标准中使用的五种协议之一，自 1996 年以来在美国和自 2001 年以来在欧洲销售的所有汽车和轻型卡车都强制要求该标准。

CAN的替代品

CAN 的替代品包括本地互连网络 （LIN） 总线和 Flexray。LIN 总线比 CAN 更便宜。LIN 不是 CAN 总线的完全替代品，但在低成本且速度/带宽不重要的情况下，它是一个不错的选择。在汽车应用中，它通常用于对车辆性能或安全性不重要的子系统中。Flexray 自 2000 年以来一直在开发，用于 2006 年生产的宝马，现在用于大多数德国汽车和 SUV。它可实现更快的 10Mbps 数据速率和确定的时间响应，并且设计为冗余。但是，它比 CAN 昂贵且复杂得多，并且只有 24m 的范围。还有用于信息娱乐系统的 MOST 网络。

将 CAN 扩展到工业世界

豪华车有多达150个汽车ECU来控制和调节各种功能，现在每辆新车至少有70个ECU。这些 ECU 必须相互交流，同时控制动力传动系统、车身和底盘的几乎所有方面。CAN 将每个功能与各种 ECU 连接起来——从门锁到制动器、油门踏板和尾灯。它的流行源于非常高的可靠性和简单性——具有低成本和低功耗。

CAN 总线使用简单的 25Kbps 到 1Mbps 双绞线连接。芯片现在可用于实现 2Mbps 数据。总线将在 50Kbps 时达到 1000m 或在 1Mbps 时达到 40m。CAN 的汽车普及源于开发人员发现的优雅方式，可确保在具有安全意识的汽车环境中进行可预测的无差错通信。这些特性也可以在工厂车间得到很好的利用。

CAN 在一对电线上以差分方式承载。这种差分特性意味着 CAN 能够抑制共模噪声。由于差分通信的电场倾向于相互抵消，该结构还减少了发射。

使用需要大电流来启动、停止和运行的电机的工业系统是 CAN 大放异彩的一个很好的例子。电机的电磁辐射会导致 RS-485 或类似通信中出现大量错误，而 CAN 能够通过。除了物理可靠性之外，CAN 还包括其他功能以确保稳健性，包括循环冗余校验 （CRC） 和启用错误检测的确认。

作为总线拓扑运行需要设备了解何时可以传输。CAN 使用带有冲突检测的载波侦听多路访问 （CSMA/CD），它也用于以太网。当一个设备想要传输它的信息时，它必须感知总线是否空闲并且没有被使用。碰撞检测允许它检测总线上的另一个设备何时尝试在完全相同的时间进行传输。CAN 使用优先级机制进行总线管理。

随着 CAN 总线变得非常流行，竞争供应商做出了不同的实施。每个实现都有不同的网络层，即使物理层是通用的。CANopen 旨在实现兼容性，以便设计人员可以选择支持 CAN 的设备并知道它们会相互作用。它在用于自动化应用的嵌入式系统中最为流行。在 OSI 模型方面，CANopen 实现了上面的层，包括网络层。

比较 CAN 与 RS-485

与 RS-485 等通信协议相比，CAN 不仅提供了通信的物理介质，还提供了寻址数据包（消息）、避免数据冲突、检测传输数据中的故障、自动重复受干扰的所有其他机制。消息，并确保网络中所有节点的数据一致性。此外，CAN 指定了数据帧的结构，包括消息标识符、数据和控制字节。RS-485 连接仅寻址第 1 层（物理层），CAN 还在 OSI 模型中添加第 2 层（数据链路层）。因此，CAN 是一种实时兼容的解决方案。根据消息 ID 的优先级，可以预测每个 CAN 消息的最大延迟时间，而与总线负载或其他节点的性能无关。

CAN 具有先进的错误管理。如果消息没有被节点正确接收（CRC 或格式错误），则消息会被接收者通过错误帧销毁，并标记为对所有节点无效。此操作会在 CAN 控制器中启动自动重复。

CAN实现

这些共同采取的措施（简短消息、差分传输、错误检测和故障排除、有缺陷的节点撤出）使 CAN 成为一个非常健壮、安全、可靠的网络。这就是为什么 CAN 被用于车辆、船舶、电梯、医疗设备、飞机和工厂等许多关键或安全相关应用中的原因。

由于 CAN 协议在硬件中的完全实现，微控制器系统的负载减少（每条消息只有一个中断）。许多供应商和几乎所有可用的 MCU 都提供各种第 7 层协议，例如 CANopen、DeviceNet 和 J1939，从而降低了风险并加快了上市时间。

坚固耐用的低电流收发器 IC

汽车应用显然需要符合汽车级标准的 IC。对于该领域之外的应用，例如前面提到的工业自动化和物联网示例，这里有几个很好的 CAN 收发器 IC 可以满足这些应用需求。MAX3051是一款3.3V、1Mbps、低电源电流CAN收发器IC，主要用于不需要汽车行业规定的严格故障保护的应用。它有四种操作模式：高速、斜率控制、待机和停机。在斜率控制模式下，发送器的压摆率可以调整为高达 500Kbps 的数据速率。这减少了由不正确端接的电缆引起的 EMI 和反射，并可能允许使用非屏蔽双绞电缆。

图 2. 一个基本的 MAX3051 收发器电路。

MAX3051输入共模范围为-7V至+12V，超过ISO 11898规范。它采用 8 引脚 SO 和 SOT23 封装，工作温度范围为 -40°C 至 +85°C。该芯片提供 ±12kV HBM ESD 保护、热关断和电流限制。

另一个值得注意的 CAN 收发器 IC 是MAX13054A。这款 2Mbps CAN 收发器具有高保护等级和 8 引脚 SO 封装。它具有 ±65V 过压故障保护和 ±25kV 高 ESD HBM 保护，以及 ±25V 的输入共模范围、短路保护和热关断功能。一个非常该死的坚固设备。

该芯片提供非常广泛的 1.62 至 5.5V 逻辑电源范围，以缓解接口困难。在待机模式下，发射器关闭，接收器切换到低电流/低速状态。监控总线线路以检测唤醒事件。待机模式仅需要 11µA 的电源电流。收发器包含显性超时，以防止由控制器错误或 TXD 输入故障引起的总线锁定。大型网络上的最大速度可能会受到节点数量、电缆类型或短截线长度的限制。该芯片的温度范围为 -40° 至 125°C，采用 8 引脚 SOIC 封装 （MAX13054AEASA+）。

图 3. 使用 MAX13054A 收发器的多点 CAN 总线。

MAX13054（无A后缀）有点不同。此版本完全兼容 ISO11898 标准，具有符合 IEC 61000-4-2 的 ±8kV ESD 和 ±80V 故障保护。其他规格，包括封装，与 MAX13054A 类似。它可用于汽车或扩展温度范围。

强大的 CAN 接口

出于很好的原因，它仍然受到设计工程师的欢迎。人气还在增长。在可预见的未来，CAN 总线将成为一股重要的力量，并为各种应用领域的许多通信需求提供很好的解决方案。

审核编辑：郭婷