工业控制器区域网络（CAN）应用

工业控制器区域网络（CAN）应用是汽车系统及工业应用场合连接各种电子控制模块的串行异步多总线通信协议。

CAN主要用于数据完整性要求高，数据速率高达1 Mbit/s的应用场合。

飞思卡尔半导体拥有成套系列产品，可供工业电子设计人员结合自己的应用场合使用CAN。

设计挑战

集成高层工业CAN网络协议
对于工业系统、工厂自动化和设备控制来说，设计人员仅仅确定采用CAN是不够的。大量系统、工具和设备往往还要在CAN网络上层使用高层通信协议（如CANopen或DeviceNET）。这些通信协议规定了输入/输出、传感器监控和电机控制器等不同网络模块的动作，定义了一个节点至另一节点传送的信息内容，传送时间及传送频率。这些工业通信协议十分复杂，往往难以设计软件驱动程序代码。许多客户发现，采购驱动软件，将其集成到应用中较为方便，这样可以专注于应用软件的设计。


应用中编程，网络下载
当工厂建成或设备安装后，对网络中的某个模块进行物理访问十分困难且成本很高，或者根本无法访问。因此，急需能够通过网络本身对设备重复编程。这样，可以只访问网络的某些点，而不是对每个模块进行物理访问。应用内部编程可以升级模块软件，修复故障，添加新功能或更新校准数据。这种编程方式为延长模块使用寿命提供了有效方法，但需要采用微处理器，以便于远程重复编程。


诊断，负荷控制与负荷处理
工厂自动化或工业控制环境下，一般存在大量不同类型的传感器和起动器。智能化地准确控制这些器件是控制系统的关键。每个系统组件所需控制越多，设计人员对整体系统的设计量也越大。以电机为例，为保证生产线高速运行，需对电机十分准确快速地加以控制。如果电机运转能够达到最高效率，可显著节省企业设备运行成本。电机控制水平取决于传感器准确详细的反馈信息，用以确定电机运行速度，抑或原料在生产线上传送的位置。

不同CAN网络具有物理层要求
与各种主要网络协议一样，CAN也需要用于通信的物理层设备。这种物理层原于ISO/OSI七层模型。物理层用于控制总线电压及电流、处理电流与电压瞬变、信号总线（线路）故障并在可行的情况下加以纠正。

Bosch CAN技术规范未给出CAN网络物理层的技术规范。这种情况对于设计人员喜忧参半。近十年来，出现两大物理层设计，并成为大部分CAN应用所采用的物理层。这两种物理层采用线对的差分电压进行通讯，通常称为高速物理层和低速物理层。

当两条线路中有一条发生短路或开路故障时，低速体系结构可变为单线操作（即不接地）。尽管两种体系结构都采用差分电压，但两结构的端接方法不同，因此在生产系统中不兼容。

由于CAN规范未规定物理层要求，因此由其他标准组织来帮助设计人员设计可兼容的CAN设备。国际标准化组织（ISO）制定了保证组件物理层互操作性的相应标准并提出设计规范建议。ISO标准一般适用于以下工业应用。

解决方案

集成高层工业CAN网络协议
飞思卡尔为基于C语言软件设计嵌入式应用提供了成套开发工具。这种系统可供应用设计人员设计嵌入式应用，并且便于集成现有支持工业CAN网络（如DeviceNet或CANopen）基于C语言的软件驱动程序。

应用中编程（IAP）
利用大量基于闪存、具有CAN网络功能的MCU产品，飞思卡尔推出先进的器件解决方案，用于构建可在网络环境下进行升级的节点。除采用闪存外，应用中编程的其他特性使得其非常简便。飞思卡尔Flash MCU工作温度为-40°C至125°C，可快速方便地重复编程，不需要增加电源。一个电源可支持MCU，为闪存阵列提供编程电压。这种功能不需要附加电路，也不必管理独立的编程电源。


诊断，负荷控制与负荷处理
飞思卡尔SMARTMOS (SMOS) 产品对连接电机、照明灯、传感器及其他类型工业装置，具有出色的控制能力和诊断功能。驱动的保护功能一般比较难做、成本高，在离散部件中很难实现。飞思卡尔的产品（如电机控制的H桥驱动）将保护功能集成在驱动中。SMOS H桥路驱动器可全面避免过电压、过电流、温度过高等故障，低电压自动关闭输出可防止设备损坏。此外，电流再复制等电流监控功能可监控桥路下桥臂的电流，确定电机的电流大小。芯片温度及电源也可进行测量和监控，具有过去无法达到的诊断能力。SMOS还具有负荷控制功能，可通过设定电流极限，以可控脉宽调制驱动输出控制负载电流。霍尔效应传感器是SMOS为大量电机控制场合提供的另一个重要部件，可用于测量电机转速。


其他监控高压开关的SMOS产品使5V输入/输出的MCU可连接高压开关。器件的脉冲清洗电流可清洁开关触点，一个MCU可同时连接12个开关，而MCU与器件通信的引脚仅用4个。


飞思卡尔SMOS CAN物理层产品满足工业客户需求
为满足CAN多种物理层要求，飞思卡尔推出大量CAN物理层器件，产品性能符合或优于ISO标准。


但是，仅有物理层器件不一定足以满足技术要求。例如，系统模块可能需要由稳压电源供电。有时，本机开关或传感器需要唤醒睡眠模式下的模块迅速进入工作状态。这时，开关或传感器工作电平会高于数字逻辑电路电平。飞思卡尔基础芯片（SBC）可满足工业设计平台这类情况下的要求。SBC将CAN连接所需的CAN物理层与电压调节、独立的看门狗时钟及本机唤醒电路加以整合，从而可在增加少量组件的情况下提供极大的灵活性。由于这些电路可采用相同的半导体工艺进行设计，因此完全可以将这些功能集成在一个封装中，减少最终设计的组件数量。从而降低组装成本，提高可靠性和设计的灵活性。

结构图