Решения компании NXP Semiconductors для шин CAN и LIN и FlexRay

В настоящее время вряд ли найдется инженер электронщик, не слышавший о шинах CAN и LIN. Эти интерфейсы уже завоевали прочные позиции во многих областях производства электроники. И с большой долей уверенности можно сказать, что в будущем количество применений CAN и LIN будет только расти. А вот о стандарте FlexRay мало кто слышал.

Напомним кратко об этих шинах и их основных отличиях.

CAN

Основные характеристики шины CAN: высокая скорость передачи данных, сверхвысокая надёжность системы и её 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, системах управления технологическим оборудованием.

LIN

Стандарт LIN был разработан как дешёвое дополнение CAN интерфейса в тех областях, где не требуется высокая скорость передачи данных и высокая надёжность. Стандарт LIN был разработан для создания дешёвых локальных сетей обмена данными на небольшие расстояния. В автомобиле, например, такие устройства как стеклоочистители, электро стеклоподъемники, замки дверей, приводы и обогрев зеркал, приводы сидений объединены в единую сеть LIN.

FlexRay

Относительно, недавно начала активно развиваться концепция drive-by-wire (управление по проводу), которая, в частности состоит в переводе всех механических частей (газ, тормоз и т.д.) на электронику, что поможет сделать автомобиль более надежным, безопасным и комфортным. С этой целью мировым консорциумом FlexRay, основоположником которого является NXP совместно с BMW, DaimlerChrysler, Bosch, GM и Volkswagen, был разработан новый высокоскоростной сетевой протокол с одноименным названием (FlexRay). Компания NXP первой представила на рынке FlexRay трансивер TJA1080, который был успешно применен в новом БМВ X5. Более того, БМВ уже приняли решение использовать FlexRay во всех своих будущих моделях.

CAN шина

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

TJA1040

Трансивер TJA1040 имеет режим Standby с удаленным запуском по шине и потреблением тока в этом режиме менее 15 мкА. TJA1040 рекомендуется для приложений постоянно подключённых к линии питания, так называемых "Clamp-30", и содержащих микроконтроллер. Кроме того, TJA1040 имеет абсолютно пассивное поведение при отключении питания, и поэтому не видим 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.

TJA1041

Трансивер TJA1041 имеет несколько особенностей в сравнении с TJA1040:

• имеет спящий режим, с потреблением тока всего узла всего лишь 20 мкА;
• имеет удаленный запуск по шине и локальный запуск через специальный вывод, что позволяет определить источник запуска;
• имеет уникальные возможности диагностики и информирования отказов шины:
  • информирование о коротких замыканиях, включая "скрытые"
  • информирование о локальных сбоях

Благодаря этим свойствам TJA1041 имеет очень гибкую систему управления потреблением тока.

TJA1050

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

Кроме высокоскоростных трансиверов TJA1040/41/50 компания NXP выпускает помехозащищённые FT-CAN приёмопередатчики TJA1054 и TJA1054A (FT - Fault-tolerant - помехозащищённый). Они идентичны высокоскоростным трансиверам TJA1040, 41 и 50, но обладают повышенной помехозащищённостью. Ниже представлены основные отличия FT-CAN-приемопередатчиков TJA1054 и TJA1054A.

TJA1054

• TJA1054 является "образцовым" устройством, т.к. по нему фактически писался стандарт ISO11898-3 (FT-CAN)
• Спящий режим, потребление всего узла 30 мкА
• Великолепные параметры ЭМС благодаря технологии SOI
• Уникальные дополнительные функции отказоустойчивости (аналогичные TJA1041)
• Абсолютно пассивное поведение при отключении питания
  • нулевой обратный ток

TJA1054A

• Версия TJA1054 с улучшенной защитой от электростатического разряда
  • защита до 4кВ в модели чел. тела по выводам CANH, CANL, RTH, RTL (по сравнению с 2кВ в TJA1054)
  • защита до +/-300В в машинной модели (по сравнению с +/-175В в TJA1054)
• остальные технические параметры идентичны TJA1054
• полностью соответствует ISO11898-3
• рекомендуется как FT-CAN-трансивер в новых разработках

Компания NXP 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 AU5790 приемопередатчика

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

LIN шина

TJA1021 приемопередатчик

• 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 3.3В и 5В

На рисунке 1 показана типовая схема включения TJA1021. Микроконтроллер P87LPC764 и трансивер TJA1021 образуют Slave устройство. Микроконтроллер управляет приёмо-передачей по шине LIN и может переводить TJA1021 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, TJA1021 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.

Рис. 1. Типовая схема включения TJA1021

Расширитель LIN шины UJA1023

UJA1023 представляет собой расширитель LIN шины. Он позволяет подключать до 8 LIN узлов. Это может быть светодиодная подсветка, 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;
• 30К-омный резистор (необходимый для LIN-slaves устройств);
• регулятор напряжения;
• осциллятор;
• восемь двунаправленных входов/выходов;
• блок автоматической синхронизации скорости передачи данных от 1 кбит/с 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;
• рабочие температуры -40 +125.

Для российского рынка наиболее интересным примером применения микросхемы UJA1023 может служить модуль управления освещением автомобиля. Применяя микросхему UJA1023 нет необходимости перекраивать стандартную проводку автомобиля. Все цепи управления можно легко разместить в стандартном разъеме лампы. Структурная схема такой реализации показана на рисунке 2.

Рис. 2. Пример модуля управления светотехникой автомобиля

CAN и LIN шины в "одном флаконе"

Компания NXP разработала микросхемы CAN/LIN нового поколения. Это микросхемы - системы на чипе UJA106x. В состав микросхем входят CAN и LIN приёмопередатчики, стабилизатор напряжения, 16 битный SPI интерфейс управления, разнообразные функции защиты от опасных состояний. Блок схема новых чипов показана на рисунке 3.

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

Наименование	Сетевой протокол
UJA1061	FT-CAN+LIN
UJA1065	HS-CAN+LIN
UJA1069TW	LIN

Рис. 3. Блок схема нового чипа UJA106x

FlexRay шина

TJA1080TS - трансивер FlexRay. Предназначен для систем связи со скоростью передачи от 1Мбит/с до 10Мбит/с и обеспечивает современный интерфейс между контроллером протокола и физической шиной в сетях FlexRey. TJA1080 может быть сконфигурирован для использования в сети типа "звезда" как активный трансивер или как трансивер узла.

Трансивер использует дифференциальную передачу в сети и дифференциальный прием. Это обеспечивает превосходную устойчивость к электромагнитным наводкам и электростатическим разрядам. TJA1080 активно отслеживает производительность системы, а также данные с внутренних датчиков температуры и напряжения.

Отличительные особенности:

• скорость передачи данных до 10Мбит/с;
• может использоваться в системах с напряжение питания 14В и 42В;
• очень низкий уровень электромагнитного излучения для поддержки неэкранированных кабелей;
• дифференциальный приемник;
• трансивер может применяться в малых пассивных сетях с линейной топологией и в активных сетях с топологией "звезда";
• автоматическая адаптация уровней I/O-выводов к напряжению питания хост-контроллера;
• встроенная защита шины от разрядов статического электричества до 8кВ;
• низкое энергопотребление;
• контроль температуры и короткого замыкания на шине;
• режим холодного старта;
• выводы шины коммутируются на шину питания (14В или 42В) или на общий провод;
• пассивное поведение на шине при отсутствии напряжения питания;
• корпус SSOP-20.

Владимир Захаров,
Компания Гамма Санкт-Петербург