CN101470151B

CN101470151B - Can总线隔离电路

Info

Publication number: CN101470151B
Application number: CN2007100946314A
Authority: CN
Inventors: 姜飞荣; 罗来军; 黄东亚
Original assignee: DIAS Automotive Electronic Systems Co Ltd
Current assignee: DIAS Automotive Electronic Systems Co Ltd
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2027-12-26
Also published as: CN101470151A

Abstract

本发明公开了一种CAN总线隔离电路，包括CANH光耦隔离器、CANL光耦隔离器及电源供给单元，CANH光耦隔离器一端用于同主机CAN驱动器的CANH相连，另一端用于同目标机CAN驱动器的CANH相连，CANL光耦隔离器一端用于同主机CAN驱动器的CANL相连，另一端用于同目标机CAN驱动器的CANL相连，CANH光耦隔离器、CANL光耦隔离器及电源供给单元主机侧电路同主机CAN驱动器共用一个地，目标机侧电路同目标机CAN驱动器共用一个地，CANH光耦隔离器、CANL光耦隔离器通过光耦器件进行主机同目标机CAN驱动器间的CANH、CANL信号的双向传输并对主机同目标机CAN总线隔离。本发明的CAN总线隔离电路，电路简单、可靠、成本低。

Description

CAN总线隔离电路

技术领域

本发明涉及汽车总线通讯技术领域，特别涉及一种CAN总线隔离电路。

背景技术

目前，全球汽车总量不断增加，各类汽车中所用的电子产品比重也越来越高，尤其是车载网络通讯部分越来越多，很多整车网络大多采用以CAN(控制器局域，Controller Area Net)网络为主，LIN(本地互连网络)、K-Line(K总线)为辅的一种通信总线模式，越来越多的控制器ECU成为CAN网络上的一个子节点。汽车电子出于其本身安全性的考虑，会对这些控制器产品做大量的产品测试，如EMC(电磁兼容，Electro-MagneticCompatibility)试验就包括电磁发射试验、电磁抗扰试验和ESD(静电放电，Electrostatic Discharge)试验等。而在做此类试验时，需要各控制器在正常工作模式下进行测试，这就需要给待测件加载一些特定激励信号(如CAN信号)，为避免待测EUT(Equipment Under Test)及信号激励源与监控端的相互影响及干扰，需将这两部分的CAN总线加以隔离，断开电气连接进行测试。

目前进行这种CAN总线差分信号隔离方案大致有两种：一种是采用网关的方式，将CAN信号从主机接收下来，经过单片机等微处理器处理之后，再转成相应的CAN信号输出。这种方式在Rx、Tx端进行隔离，需要一个微处理器(有两个CAN控制器接口)及两个CAN收发器。这种方案需要编程处理，价格昂贵，普遍性差。另一种用两个CAN收发器之间的Rx，Tx端进行隔离，当一个CAN收发器在发送的时候，通过逻辑电路控制另外一个CAN收发器，使其只收不发，反之亦然。此种方案仍需额外的两个CAN收发器，还需要一些数字逻辑电路，结构复杂，价格较贵。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种CAN总线隔离电路，其电路简单、可靠、成本低。

为解决上述技术问题，本发明的CAN总线隔离电路采用的技术方案，包括CANH光耦隔离器、CANL光耦隔离器及电源供给单元，CANH光耦隔离器一端用于同主机CAN驱动器的CANH相连，另一端用于同目标机CAN驱动器的CANH相连，CANL光耦隔离器一端用于同主机CAN驱动器的CANL相连，另一端用于同目标机CAN驱动器的CANL相连，CANH光耦隔离器、CANL光耦隔离器及电源供给单元主机侧电路同主机CAN驱动器共用一个地，目标机侧电路同目标机CAN驱动器共用一个地，CANH光耦隔离器、CANL光耦隔离器通过光耦器件进行主机同目标机CAN驱动器间的CANH、CANL信号的双向传输并对主机同目标机CAN总线隔离。

本发明的CAN总线隔离电路，利用光耦器件进行CAN总线隔离，仅需4个光耦加电源转换电路即可实现CAN差分信号隔离，电路简单可靠，所利用器件通用且易于采购，易于构建，总体成本低。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1是CAN为显性(1)电平时CANH、CANL电压电平示意图；

图2是CAN为隐性(0)电平时CANH、CANL电压电平示意图；

图3是CAN信号电压电平示意图；

图4是本发明的CAN总线隔离电路一实施方式的原理图；

图5是本发明CANH光耦隔离电路一实施方式电路图；

图6是本发明CANL光耦隔离电路一实施方式电路图。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，通常CANH的显性电平(Dominant Level)时的电压取值范围为2.75～4.5V，隐性电平(Recessive Level)时的电压取值范围为2～3V；CANL的显性电平时的电压取值范围为0.5～2.25V，隐性电平时的电压取值范围为2～3V；CAN信号为显性电平时的电压取值范围为1.5～3V，CAN信号为隐性电平时的电压取值范围为-0.5～50mV。

本发明的CAN总线隔离电路的一实施方式如图4所示，包括CANH光耦隔离器、CANL光耦隔离器及电源供给单元，CANH光耦隔离器一端用于同主机(HOST)CAN驱动器A的CANH相连，另一端用于同目标机(TARGET)CAN驱动器B的CANH相连CANL光耦隔离器一端用于同主机CAN驱动器A的CANL相连，另一端用于同目标机CAN驱动器B的CANL相连，CANH光耦隔离器CANL光耦隔离器及电源供给单元主机侧电路同主机CAN驱动器A共用一个地GRAND A，目标机侧电路同目标机CAN驱动器B共用一个地GRAND B，CANH光耦隔离器、CANL光耦隔离器通过光耦器件进行主机同目标机CAN驱动器间的CANH、CANL信号的双向传输并对主机同目标机CAN总线隔离。

本发明的一实施例，如图5、图6所示，光耦隔离器件选用快速光耦TLP559。

CANH光耦隔离器如图5所示，电源供给单元输出提供恒定电压源：CANH的主机端上拉电平V1_AH(+4V)、CANH的主机端光耦副边电平V2_AH(+5V)、CANH的主机端光耦主边电平V3_AH(+5V)、CANH的主机端光耦地电平V4_AH(+2.5V)、CANH的目标机端上拉电平V1_BH(+4V)、CANH的目标机端光耦副边电平V2_BH(+5V)、CANH的目标机端光耦主边电平V3_BH(+5V)、CANH的目标机端光耦地电平V4_BH(+2.5V)。

CANH光耦隔离器的主机端的电路连接如下：第一光耦ISO1主边的发光二极管的负端接PNP型第一晶体管Q1的发射极，第二光耦ISO2副边的NPN型晶体管的基极接第二光耦ISO2副边感光二极管的正端，第一光耦ISO1主边的发光二极管的正端通过主机端限流电阻R2(100欧姆)接CANH的主机端光耦主边电平V3_AH，第一晶体管Q1的基极接主机CAN驱动器的CANH信号输出端HOST_IN_OUTH，并经主机端分压滤波电阻R3(2000欧姆)接第二光耦ISO2副边的NPN型晶体管的集电极，第二光耦ISO2副边的NPN型晶体管的集电极通过主机端上拉电阻R4(10000欧姆)接CANH的主机端上拉电平V1_AH，第一晶体管Q1的集电极与第二光耦ISO2副边的NPN型晶体管的发射极同接CANH的主机端光耦地电平V4_AH，第二光耦ISO2副边感光二极管的负端接CANH的主机端光耦副边电平V2_AH。

CANH光耦隔离器的目标机端的电路连接如下：第二光耦ISO2主边的发光二极管的负端接PNP型第二晶体管Q2的发射极，第一光耦ISO1副边的NPN型晶体管的基极接第一光耦ISO1副边感光二极管的正端，第二光耦ISO2主边的发光二极管的正端通过目标机端限流电阻R5(100欧姆)接CANH的目标机端光耦主边电平V3_BH，第二晶体管Q2的基极接目标机CAN驱动器的CANH信号输出端TARGET_IN_OUTH，并经目标机端分压滤波电阻R6(2000欧姆)接第一光耦ISO1副边的NPN型晶体管的集电极，第一光耦ISO1副边的NPN型晶体管的集电极通过目标机端上拉电阻R1(10000欧姆)接CANH的目标机端上拉电平V1_BH，第二晶体管Q2的集电极与第一光耦ISO1副边的NPN型晶体管的发射极同接CANH的目标机端光耦地电平V4_BH，第一光耦ISO1副边感光二极管的负端接CANH的目标机端光耦副边电平V2_BH。

CANL光耦隔离器如图6所示，其电路连接方式同CANH光耦隔离器一致，但电源供给单元提供给各端的电压值同CANL信号的要求相适应，电路各端的电压分别为：CANL的主机端上拉电平V1_AL(+3V)、CANL的主机端光耦副边电平V2_AL(+5V)、CANL的主机端光耦主边电平V3_AL(+4V)、CANL的主机端光耦地电平V4_AL(+1.5V)、CANL的目标机端上拉电平V1_BL(+3V)、CANL的目标机端光耦副边电平V2_BL(+5V)、CANL的目标机端光耦主边电平V3_BL(+4V)、CANL的目标机端光耦地电平V4_BL(+1.5V)；第一晶体管Q1的基极接主机(HOST)CAN驱动器的CANL信号输出端HOST_IN_OUTL，第二晶体管Q2的基极接目标机(TARGET)CAN驱动器的CANL信号输出端TARGET_IN_OUTL。

CANH光耦隔离器、CANL光耦隔离器及电源供给单元主机(HOST)侧电路同主机(HOST)CAN驱动器共用一个地GRAND A，目标机(TARGET)侧同目标机(TARGET)CAN驱动器共用一个地GRAND B。电路中主机侧的电压电平电位为相对发送端0V地电位，目标机侧的电压电平电位为相对目标端0V地电位。

下面以CANH的上拉电平电位V1_AH、V1_BH为+4V，CANH的光耦地电平电位V4_AH、V4_BH为+2.5V，CANL的上拉电平电位V1_AL、V1_BL为+3V，CANL的光耦地电平电位V4_AL、V4_BL为+1.5V为例，在一定的电压范围内可调，详细描述本发明的CAN总线隔离电路工作原理。

CANH光耦隔离电路：

一、A区主机(HOST)发送信号、B区目标机(TARGET)接受信号

1、发送信号“1”：当CAN网络为逻辑“1”时，CANH为相对电平3.5V，即主机CAN驱动器的CANH信号输出端HOST_IN_OUTH上的电平为3.5V，此时CANH的主机端光耦主边电平V3_A与主机CAN驱动器的CANH信号输出端HOST_IN_OUTH电压差为5V-3.5V＝1.5V，由于主机端限流电阻R2的存在，第一光耦ISO1驱动电流大约为(1.5-0.7-0.7)/100＝1mA，该电流无法驱动第一光耦ISO1主边的发光二极管，此时第一光耦ISO1副边的NPN型晶体管为截止状态，第二晶体管Q2截止，目标机CAN驱动器的CANH信号输出端TARGET_IN_OUTH的电平通过目标机端上拉电阻R1上拉CANH的目标机端上拉电平V1_BH和目标机端分压滤波电阻R6后电平稳定在3.5V～4V，实现目标机端“1”电平的接受。

2、发送信号“0”：当CAN网络为逻辑“0”时，CANH为相对电平2.5V，即主机CAN驱动器的CANH信号输出端HOST_IN_OUTH上的电平为2.5V，此时CANH的主机端光耦主边电平V3_AH与主机CAN驱动器的CANH信号输出端HOST_IN_OUTH电压差为5V-2.5V＝2.5V，由于主机端限流电阻R2的存在，第一光耦ISO1驱动电流大约为(2.5-0.7-0.7)/100＝11mA，该电压可以驱动第一光耦ISO1主边的发光二极管，第一光耦ISO1副边的NPN型晶体管为导通状态，第二晶体管Q2导通，因而目标机CAN驱动器的CANH信号输出端TARGET_IN_OUTH的电平被嵌位在CANH的目标机端光耦地电平V4_BH。由于目标机端上拉电阻R1大于目标机端分压滤波电阻R6，该电平稳定在2.5V左右，实现目标机端“0”电平的接受。

二、B区目标机发送信号、A区主机接受信号

1、发送信号“1”：当CAN网络为逻辑“1”时，CANH为相对电平3.5V，即目标机CAN驱动器的CANH信号输出端TARGET_IN_OUTH电平为3.5V，此时CANH的目标机端光耦主边电平V3_BH与目标机CAN驱动器的CANH信号输出端TARGET_IN_OUTH电压差为5V-3.5V＝1.5V，由于目标机端限流电阻R5的存在，第二光耦ISO2驱动电流大约为(1.5-0.7-0.7)/100＝1mA，该电流无法驱动第二光耦ISO2主边的发光二极管，此时第二光耦ISO2副边的NPN型晶体管为截止状态，主机CAN驱动器的CANH信号输出端HOST_IN_OUTH的电平通过主机端上拉电阻R4上拉CANH的主机端上拉电平V1_AH(+4V)和主机端分压滤波电阻R3后电平稳定在3.5V～4V，实现主机端“1”电平的接受。

2、发送信号“0”：当CAN网络为逻辑“0”时，CANH为相对电平2.5V，即目标机CAN驱动器的CANH信号输出端TARGET_IN_OUTH电平为2.5V，此时CANH的目标机端光耦主边电平V3_BH与目标机CAN驱动器的CANH信号输出端TARGET_IN_OUTH电压差为5V-2.5V＝2.5V，由于目标机端限流电阻R5的存在，第二光耦ISO2驱动电流大约为(2.5-0.7-0.7)/100＝11mA，该电压可以驱动第二光耦ISO2主边的发光二极管，此时第二光耦ISO2副边的NPN型晶体管为导通状态，因而主机CAN驱动器的CANH信号输出端HOST_IN_OUTH的电平被嵌位在CANH的主机端光耦地电平V4_AH(+2.5V)。由于主机端上拉电阻R4大于主机端分压滤波电阻R3，该电平稳定在2.5V左右，实现主机端“0”电平的接受。

由于光电传输速度非常快，CANH发送信号与回馈信号、反射信号的再传输和传输延迟可忽略不计，并通过第一晶体管Q1、第二晶体管Q2实现主机端与目标机端CANH信号的双向传输。

CANL光耦隔离电路：

一、A区主机发送信号、B区目标机接受信号

1、发送信号“1”：当CAN网络为逻辑“1”时，CANL为相对电平1.5V，即主机CAN驱动器的CANL信号输出端HOST_IN_OUTL电平为1.5V，此时CANL的主机端光耦主边电平V3_AL与主机CAN驱动器的CANL信号输出端HOST_IN_OUTL电压差为4V-1.5V＝2.5V，由于主机端限流电阻R2的存在，第一光耦ISO1驱动电流大约为(2.5-0.7-0.7)/100＝11mA，该电压可以驱动第一光耦ISO1主边的发光二极管，此时第一光耦ISO1副边的NPN型晶体管为导通状态，因而目标机CAN驱动器的CANL信号输出端TARGET_IN_OUTL的电平被嵌位在CANL的目标机端光耦地电平V4_BL(+1.5V)。由于目标机端上拉电阻R1大于目标机端分压滤波电阻R6，该电平稳定在1.5V左右，实现目标机端“1”电平的接受。

2、发送信号“0”：当CAN网络为逻辑“0”时，CANL为相对电平2.5V，即主机CAN驱动器的CANL信号输出端HOST_IN_OUTL电平为2.5V，此时CANL的主机端光耦主边电平V3_AL与主机CAN驱动器的CANL信号输出端HOST_IN_OUTL电压差为4V-2.5V＝1.5V，由于主机端限流电阻R2的存在，第一光耦ISO1驱动电流大约为(1.5-0.7-0.7)/100＝1mA，该电流无法驱动第一光耦ISO1主边的发光二极管，此时第一光耦ISO1副边的NPN型晶体管为截止状态，目标机CAN驱动器的CANL信号输出端TARGET_IN_OUTL的电平通过上拉目标机端电阻R1上拉CANL的目标机端上拉电平V1_BL(+3V)和目标机端分压滤波电阻R6后电平稳定在2.5V～3V，实现目标机端“0”电平的接受。

二、B区目标机发送信号、A区主机接受信号

1、发送信号“1”：当CAN网络为逻辑“1”时，CANL为相对电平1.5V，即CAN驱动器的CANL信号输出端TARGET_IN_OUTL的电平为1.5V，此时CANL的目标机端光耦主边电平V3_BL与CAN驱动器的CANL信号输出端TARGET_IN_OUTL的电压差为4V-1.5V＝2.5V，由于目标机限流电阻R5的存在，第二光耦ISO2的驱动电流大约为(2.5-0.7-0.7)/100＝11mA，该电压可以驱动第二光耦ISO2主边的发光二极管，此时第二光耦ISO2副边的NPN型晶体管为导通状态，因而CAN驱动器的CANL信号输出端HOST_IN_OUTL的电平被嵌位在CANL的主机端光耦地电平V4_AL(+1.5V)。由于主机端上拉电阻R4大于主机端分压滤波电阻R3，该电平稳定在1.5V左右，实现主机端端“1”电平的接受。

2、发送信号“0”：当CAN网络为逻辑“0”时，CANL为相对电平3.5V，即CAN驱动器的CANL信号输出端TARGET_IN_OUTL的电平为3.5V，此时 CANL的目标机端光耦主边电平V3_BL与CAN驱动器的CANL信号输出端TARGET_IN_OUTL电压差为5V-3.5V＝1.5V，由于目标机端限流电阻R5的存在，第二光耦ISO2驱动电流大约为(1.5-0.7-0.7)/100＝1mA，该电流无法驱动第二光耦ISO2主边的发光二极管，此时第二光耦ISO2副边的NPN型晶体管为截止状态，CAN驱动器的CANL信号输出端HOST_IN_OUTL的电平通过主机端上拉电阻R4上拉CANL的主机端上拉电平V1_AL和主机端分压滤波电阻R3后电平稳定在2.5V～3V，实现主机端“0”电平的接受。

由于光电传输速度非常快，CANL发送信号与回馈信号、反射信号的再传输和传输延迟可忽略不计，并通过第一晶体管Q1、第二晶体管Q2实现主机端与目标机端CANL信号的双向传输。

本发明的CAN总线隔离电路，利用光耦器件进行CAN总线隔离，电路简单可靠，所利用器件通用且易于采购，总体成本低。

上面通过实施方式及具体实施例对本发明的技术方案进行了描述，所述主机(HOST)、目标机(TARGET)的称谓只是为描述方便而设定，CAN总线隔离电路所连接的CAN控制器并无实际上的主次之分。上面以较佳实施例对本发明进行了描述，但熟悉本领域技术的普通技术人员应该可以在上述内容的基础上作出各种等同的变换和改动。因此本发明的保护范围不应限于所述实施例的形式，而应由权利要求书来限定。

Claims

1.一种CAN总线隔离电路，其特征在于，包括CANH光耦隔离器、CANL光耦隔离器及电源供给单元，CANH光耦隔离器一端用于同主机CAN驱动器的CANH相连，另一端用于同目标机CAN驱动器的CANH相连，CANL光耦隔离器一端用于同主机CAN驱动器的CANL相连，另一端用于同目标机CAN驱动器的CANL相连，CANH光耦隔离器、CANL光耦隔离器及电源供给单元主机侧电路同主机CAN驱动器共用一个地，目标机侧电路同目标机CAN驱动器共用一个地，CANH光耦隔离器、CANL光耦隔离器通过光耦器件进行主机同目标机CAN驱动器间的CANH、CANL信号的双向传输并对主机同目标机CAN总线隔离。

2.根据权利要求1所述的CAN总线隔离电路，其特征在于：

CANH、CANL光耦隔离器的主机侧的电路为：第一光耦主边的发光二极管的负端接PNP型第一晶体管的发射极，第二光耦副边的NPN型晶体管的基极接第二光耦副边感光二极管的正端，第一光耦主边的发光二极管的正端通过主机端限流电阻接主机端光耦主边电平，第一晶体管的基极接主机CAN驱动器的信号输出端，并经主机端分压滤波电阻接第二光耦副边的NPN型晶体管的集电极，第二光耦副边的NPN型晶体管的集电极通过主机端上拉电阻接主机端上拉电平，第一晶体管的集电极与第二光耦副边的NPN型晶体管的发射极同接主机端光耦地电平，第二光耦副边感光二极管的负端接主机端光耦副边电平；光耦隔离器的目标机侧的电路为：第二光耦主边的发光二极管的负端接PNP型第二晶体管的发射极，第一光耦副边的NPN型晶体管的基极接第一光耦副边感光二极管的正端，第二光耦主边的发光二极管的正端通过目标机端限流电阻接目标机端光耦主边电平，第二晶体管的基极接目标机CAN驱动器的信号输出端，并经目标机端分压滤波电阻接第一光耦副边的NPN型晶体管的集电极，第一光耦副边的NPN型晶体管的集电极通过目标机端上拉电阻接目标机端上拉电平，第二晶体管的集电极与第一光耦副边的NPN型晶体管的发射极同接目标机端光耦地电平，第一光耦副边感光二极管的负端接目标机端光耦副边电平；

电源供给单元分别提供给CANH、CANL光耦隔离器的主机端上拉电平、主机端光耦副边电平、主机端光耦主边电平、主机端光耦地电平、目标机端上拉电平、目标机端光耦副边电平、目标机端光耦主边电平、目标机端光耦地电平相应的工作电压；主机CAN驱动器的信号输出端的CANH、CANL信号分别接CANH、CANL光耦隔离器第一晶体管的基极，目标机CAN驱动器的信号输出端的CANH、CANL信号分别接CANH、CANL光耦隔离器第二晶体管的基极。

3.根据权利要求2所述的CAN总线隔离电路，其特征在于，主机端上拉电阻大于主机端分压滤波电阻，目标机端上拉电阻大于目标机端分压滤波电阻。

4.根据权利要求2或3所述的CAN总线隔离电路，其特征在于，电源供给单元提供的CANH光耦隔离器的主机端上拉电平为+4V、主机端光耦副边电平为+5V、主机端光耦主边电平为+5V、主机端光耦地电平为+2.5V、目标机端上拉电平为+4V、目标机端光耦副边电平为+5V、目标机端光耦主边电平为+5V、目标机端光耦地电平为+2.5V；CANL光耦隔离器的主机端上拉电平为+3V、主机端光耦副边电平为+5V、主机端光耦主边电平为 +4V、主机端光耦地电平为+1.5V、目标机端上拉电平为+3V、目标机端光耦副边电平为+5V、目标机端光耦主边电平为+4V、目标机端光耦地电平为+1.5V。

5.根据权利要求2或3所述的CAN总线隔离电路，其特征在于，主机端及目标机端限流电阻为100欧姆，主机端及目标机端上拉电阻为10000欧姆，主机端及目标机端分压滤波电阻为2000欧姆。