本發(fā)明涉及CAN現(xiàn)場總線領域，具體涉及一種包含CAN控制器與CAN收發(fā)器的CAN總線節(jié)點芯片，有效提高了CAN總線系統(tǒng)的集成度與可靠性。

背景技術：

隨著計算機網絡技術和芯片技術的發(fā)展，網絡系統(tǒng)中控制芯片的性能大幅提高，成本不斷降低，以現(xiàn)場總線為代表的控制網絡也在工業(yè)以及其他控制系統(tǒng)中扮演著不可缺少的角色?，F(xiàn)場總線是應用在現(xiàn)場的，在測量控制設備之間實現(xiàn)雙向、串行、多點通信的數(shù)字通信系統(tǒng)。它把通用或者專用的微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使之具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力。其采用一定的介質作為通信總線，按照公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個設備之間以及現(xiàn)場設備與遠程監(jiān)控計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，形成各種適應實際需要的自動化控制系統(tǒng)。

CAN是控制網絡Control Area Network的簡稱，CAN現(xiàn)場總線是基于CAN協(xié)議的一種現(xiàn)場總線。CAN現(xiàn)場總線具有通信速率高、直接傳輸距離遠、抗干擾能力強、幾乎可以檢測發(fā)生的任何錯誤等一系列優(yōu)點。CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等方面。CAN總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術支持。

在CAN總線系統(tǒng)中，一條總線上通常連接多個CAN節(jié)點，網絡中各個節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，并且不同節(jié)點之間可以同時接收到相同的總線數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中的每個CAN節(jié)點均包含CAN收發(fā)器與CAN控制器，CAN收發(fā)器的功能是實現(xiàn)數(shù)字邏輯電平與模擬差分電平之間的轉換。在CAN節(jié)點中，控制器的內部信號為數(shù)字邏輯電平，而總線上的信號是模擬差分電平，收發(fā)器的作用就是實現(xiàn)控制器與總線之間的電平轉換。CAN控制器是其主要組成部分，用于控制數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、故障處理、仲裁等一系列邏輯功能，CAN所具有的完善的通信協(xié)議均由控制器來實現(xiàn)。

在實際的CAN總線系統(tǒng)中，需要CAN收發(fā)器與CAN控制器相互配合，才能實現(xiàn)多個現(xiàn)場設備以及現(xiàn)場設備與遠程計算機之間數(shù)據(jù)通信。但目前市面上的CAN收發(fā)器與CAN控制器多為分立設計，未集成至一起，這就為芯片的使用帶來了不便。

參考文獻

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3、來清民.手把手教你學CAN總線[M].北京:北京航空航天大學出版社,2010,109-112。

技術實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明旨在將CAN總線收發(fā)器與CAN總線控制器集成至同一芯片中，實現(xiàn)芯片的小型化設計，簡化CAN總線芯片的使用，提高CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)的集成度與可靠性。本發(fā)明采用的技術方案是，包含收發(fā)器與控制器的CAN總線節(jié)點芯片，由總線收發(fā)器模塊、CAN總線控制器模塊組成，CAN總線控制器模塊由內部寄存器、接口管理邏輯、位流處理器、驗收濾波器、位時序邏輯以及數(shù)據(jù)緩沖器組成，內部寄存器用于設定各種控制信號，微控制器和總線控制器之間狀態(tài)、控制和命令信號的交換都是在內部寄存器中完成；接口管理邏輯用于執(zhí)行微控制器的命令，管理總線控制器內部的尋址。位流處理器用來控制數(shù)據(jù)緩沖器和CAN總線之間的數(shù)據(jù)流同時執(zhí)行錯誤檢測；驗收濾波器用于識別CAN網絡中的幀標識；位時序邏輯負責處理與總線相關的位時序；數(shù)據(jù)緩沖器的功能是存儲收發(fā)的信息，其劃分為發(fā)送緩沖器和接收緩沖器；

總線收發(fā)器模塊包括兩個部分，分別是發(fā)送部分和接收部分；發(fā)送部分由兩個驅動控制模塊、非門、兩個開關MOS管、分壓電阻組成，發(fā)送的信息接入一個驅動控制模塊，發(fā)送的信息同時還通過非門接入另一個驅動控制模塊，兩個驅動控制模塊的輸出分別對應連接一個開關MOS管的柵極從而形成差分輸出至CAN總線；接收部分由遲滯比較器構成。

驅動控制模塊由反相器級聯(lián)構成。

本發(fā)明的特點及有益效果是：

目前現(xiàn)場總線的應用已經十分廣泛，而CAN總線因其一系列優(yōu)勢已被應用于工業(yè)自動化、船舶、汽車工業(yè)等多個領域。傳統(tǒng)的CAN總線芯片多為分立設計，控制器與收發(fā)器未集成在一起，增加了芯片的使用難度，降低了CAN總線系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本發(fā)明通過將CAN控制器與CAN收發(fā)器集成至同一芯片，實現(xiàn)了芯片的小型化設計，簡化了CAN總線芯片的使用，提高了CAN總線系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

附圖說明：

圖1 CAN節(jié)點芯片整體結構框圖。

圖2 收發(fā)器模塊結構示意圖。

圖3 整體版圖。

圖4 CAN總線系統(tǒng)示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明給出了一種將CAN收發(fā)器與CAN控制器集成至一起的CAN總線節(jié)點芯片。

本發(fā)明將CAN收發(fā)器與CAN控制器集成至同一芯片，芯片整體結構框圖如圖1所示。可劃分為總線接收/發(fā)送模塊和總線協(xié)議控制器兩個模塊。收發(fā)器模塊包含發(fā)送部分與接收部分，控制器模塊包含內部寄存器等功能模塊，用以實現(xiàn)總線協(xié)議。

CAN總線收發(fā)器模塊結構示意圖如圖2所示，主要包括發(fā)送部分與接收部分。發(fā)送部分由驅動控制模塊、開關MOS管、分壓電阻組成，接收部分則為一個遲滯比較器。圖中電阻R5為總線等效電阻(一般為60Ω)，在實際設計中為保證對總線的驅動能力，設計時R5設為50歐姆，R1和R2分壓得到2.5V電壓用于提供總線的隱性偏置，R3和R4用于隔離顯性電平和隱性電平(P0和N0處于導通狀態(tài))，二極管用于防止總線上電平過高或者過低對電源造成影響。P0與N0同時導通時CANH和CANL的電平分別為3.5V、1.5V，此時總線上的電流為40mA，因此P0與N0導通時的電流為40mA，這樣需要P0和N0的寬長比較大(提供40mA的電流)。大比例MOS管需要前一級有較強的驅動能力，所以電路中采用了反相器級聯(lián)的驅動電路。接收電路是一個遲滯比較器，將差分模擬信號轉化為數(shù)字信號，采用遲滯的目的是為了防止信號的抖動，提高信號的質量。

收發(fā)器是數(shù)據(jù)交換的接口，分別連接CAN控制器與物理總線，本質就是實現(xiàn)總線差動電平向數(shù)字邏輯電平的轉換。因此，作為一個收發(fā)器，IO端口設置有連接物理總線的CANH和CANL端口，并有從協(xié)議控制器端接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的RX和TX端口，以及VDD和GND接電源和接地端口。

CANH對應高電平總線，CANL對應低電平總線，兩者連接到物理總線上，接收來自總線上的差動信號。TX端口是指經協(xié)議控制器處理過的數(shù)據(jù)通過此端口傳入到收發(fā)器然后由收發(fā)器發(fā)送到總線上，稱為發(fā)送數(shù)據(jù)端口；RX端口是指收發(fā)器將從物理總線上接收差動數(shù)據(jù)處理為串行的數(shù)字信號之后傳輸?shù)絽f(xié)議控制器，稱為接收數(shù)據(jù)端口。

當CAN控制器向發(fā)送端發(fā)送數(shù)字邏輯電平0時，物理總線上得到差動電平CANH和CANL分別為3.5V和1.5V，接收端得到信號0；當CAN控制器向發(fā)送端發(fā)送數(shù)字邏輯電平1時，物理總線上得到差動電平CANH和CANL分別為2.5V和2.5V，接收端得到信號1。

CAN總線控制器模塊是實現(xiàn)總線協(xié)議的主要模塊，其劃分為內部寄存器、接口管理邏輯、位流處理器、驗收濾波器、位時序邏輯以及數(shù)據(jù)緩沖器。內部寄存器用于設定各種控制信號，微控制器和總線控制器之間狀態(tài)、控制和命令信號的交換都是在內部寄存器中完成。接口管理邏輯用于執(zhí)行微控制器的命令，管理總線控制器內部的尋址。位流處理器用來控制數(shù)據(jù)緩沖器和CAN總線之間的數(shù)據(jù)流同時執(zhí)行錯誤檢測等功能。驗收濾波器用于識別CAN網絡中的幀標識。位時序邏輯負責處理與總線相關的位時序。數(shù)據(jù)緩沖器的功能是存儲收發(fā)的信息，其劃分為發(fā)送緩沖器和接收緩沖器。

在完成控制器模塊與收發(fā)器模塊的設計之后，通過合理的版圖布局(如圖3所示)將兩個模塊集成至同一芯片中。經過適當?shù)姆庋b，得到集成有CAN控制器與CAN收發(fā)器的CAN總線節(jié)點芯片。

本發(fā)明的一個實例如下：

首先對CAN總線節(jié)點芯片進行整體測試，確定芯片功能正確性。以CAN總線節(jié)點芯片為基礎，搭建CAN總線系統(tǒng)。如圖4所示，每個CAN節(jié)點均由傳感器執(zhí)行器、微控制器(單片機)、CAN總線節(jié)點芯片組成，通過適當?shù)膫鞲衅鳈z測到現(xiàn)場設備發(fā)生的變化，執(zhí)行器發(fā)送相應的信號給微控制器，然后控制CAN總線節(jié)點芯片產生對應的信號，并經過仲裁發(fā)送至總線，信號通過總線傳送至遠程控制計算機，進而使遠程控制計算器得知現(xiàn)場設備發(fā)生的變化，并作出回應。