3．2 隔離技術在CAN總線中的應用

　　CAN(控制區(qū)域網)屬于串行通信總線，適用于強健的實時控制應用，因此在工業(yè)、交通、控制、測量領域有極廣泛的應用。如果單個CAN-bus節(jié)點設計不當，就會導致總線通信不良，甚至因為收發(fā)器電路而破壞整個CAN網絡的穩(wěn)定性。尤其CAN總線的工作場合經常十分惡劣，在第1節(jié)中提及的任何不利因素均有可能出現在CAN-bus中，所以CAN-bus接地、隔離及瞬態(tài)保護是十分必要的。

　　在以往的設計中，一般可以采用2個高速光耦(6N137)實現電氣上的隔離，1個電源隔離模塊(+5 V轉+5 V)實現電源上的隔離，還需要計算電阻值的大小以搭建出合理的收發(fā)器隔離電路。需要注意的是，僅有高速光電耦合器，卻沒有電源上的隔離，此時的隔離將失去意義。由于這種方式存在著體積偏大、成本偏高的缺點，建議采用電容耦合技術或磁耦隔離技術。隔離型CAN-bus節(jié)點一般是由CAN控制器、CAN收發(fā)器、數字隔離器件組成，具體節(jié)點設計類似圖3所示。但需要注意的是，隔離措施是加在CAN控制器與CAN收發(fā)器之間的，同時需要在CAN-bus總線上加總線保護器件。

　　CAN-bus的隔離原理與RS485／RS422相似，節(jié)點設計原理也相同，只是電器規(guī)定上有所不同。隔離器件可以選用ADI公司iCoupler產品，隔離電壓為2 500 VRMS；也可以選用TI公司的1072xx數字隔離器，隔離電壓為4 000 V RMS。但是都需要隔離型DC-DC變換器來實現總線收發(fā)器的信號線和電源線與本地信號和電源的相互隔離。如果選用ADI公司的集成隔離電源(如 ADuM524x)，則需要考慮電源的驅動能力。如果需要更加簡化電路設計，可以選用廣州致遠電子有限公司的CTM系列模塊，該系列是集電源隔離、電氣隔離、CAN收發(fā)器、CAN總線保護于一體的隔離CAN收發(fā)器模塊，同時也要考慮T系列的節(jié)點驅動問題。

　　所有符合CAN2．O規(guī)范的節(jié)點可以連接在一起，構成一個直線拓撲結構的CAN-bus網絡，在網絡的兩個終端各需要安裝一個120 Ω的終端電阻。如果選用屏蔽電纜線可以將屏蔽層單點接大地(不能形成環(huán)路)，也可以將屏蔽層通過耐高壓的電阻、電容單點接數字隔離器件的地引腳。

　　3．3 隔離技術在信號傳感器中的應用

　　許多硬件設計任務主要圍繞如下方面展開：數／模轉換器(DAC)、模／數轉換器(ADC)、輸入和輸出信號調理、輸入／輸出模塊的電氣連線、控制器之間以及模塊之間的隔離問題。各種傳感器產生的數字信號都傳送到一個中央控制器，進行處理和分析。為了保證用戶接口端電壓的安全性，同時防止瞬態(tài)尖峰的傳輸，需要實現電流隔離。對于傳感器信號隔離，傳統(tǒng)的模擬隔離方案(如隔離放大器AD202)成本太高，可以采用數字隔離方案——AMP→ADC→Digital Isolate→MCU降低成本，如圖5所示。

　　數字隔離器用來將系統(tǒng)現場的ADC、DAC和信號調理電路與數字端的微處理器隔離開來。其中，需要隔離型DC-DC變換器來實現微處理器的信號線和電源線與ADC／DAC的信號和電源的相互隔離。隔離器件可選用ADI公司的iCoupler產品或TI公司的IO72xx數字隔離器。在滿足應用需要的前提下，可以選用ADI公司集成3 750 V電壓隔離的ADC(AD7400)來減輕設計負擔。

　　在完全隔離的系統(tǒng)中，從系統(tǒng)端向現場端提供隔離的電源是另一個要面對的挑戰(zhàn)，而在這方面也涌現了新的解決方案。傳統(tǒng)上，將電源從隔離的一端傳遞到另一端所用的技術包括使用單獨的、尺寸較大的、昂貴的DC-DC變換器，或者設計及接口均較困難的分立器件。目前，一種更好的方法是采用完整的、全部集成化的隔離解決方案。這種方案可以通過微變壓器實現跨越隔離點的信號和電源傳輸，其供電能力達50 mw。例如isoPower系列產品ADuM524x可以提供高達2 500 V的信號和電源隔離度，不僅避免了采用分立的隔離電源，而且降低了隔離系統(tǒng)的總成本，減小了電路板面積，縮短了設計時間。

　　4 瞬態(tài)保護

　　在實際工程使用中，使用了上述數字隔離方案的系統(tǒng)可靠性有了極大的提高，能消除噪聲并且防止電流在兩通信端之間流動，防止瞬態(tài)尖峰在系統(tǒng)內部的破壞性傳播。但是盡管數字隔離器件以內的電路系統(tǒng)沒有損壞，可是接口電路在有強烈的浪涌能量出現時，甚至可以看到收發(fā)器爆裂、線路板焦糊的現象，雖然不至于影響整個系統(tǒng)的安全性，但也造成極大的不便。

　　出現該現象的原因：雖然隔離“切斷”了由電路路徑形成的環(huán)路，噪聲電壓只出現在隔離層上而非接收機或其他敏感組件上，但是接口電路必須要經過強烈能量的考驗。圖4提到的接地措施只對低頻率的共模干擾有保護作用，而對于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無能為力了，因為引線電感的作用對高頻瞬態(tài)干擾來講接地線實際等同于開路。這樣的瞬態(tài)干擾可能會有成百上千伏的電壓但持續(xù)時間很短，在切換大功率感性負載(電機、變壓器、繼電器)，閃電等過程中都會產生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當防護就會損壞接口。

　　對于這種瞬態(tài)干擾，可以采取瞬態(tài)抑制方法加以防護。實際應用中采用兩級防護措施：使用3個90 V陶瓷放電管(3RM090L-8)(可承受10／700 μs，10／700μs為通信線路中感應出的雷擊電壓波形，表示從零值上升至峰值的時間為10 ms，下降至峰值一半的時間為700μs，8 000V雷擊測試)進行共模防護、差模防護，此時過電壓被大大削弱到500 V左右；再經過PTC(可以采用100～200mA、耐壓250 V以上的自恢復保險絲K250-120U)或10Ω左右的電阻限流。TVS瞬態(tài)抑制二極管的選擇可以根據芯片的工作電壓與耐壓決定，一般略高于芯片最高工作電壓，RS485芯片可以選擇P6KE15CA，RS232芯片可以選擇P6KE18CA。

　　結 語

　　由于本單位的交通戶外設備大多數工作于惡劣環(huán)境，在雷雨多發(fā)期間或由于施工不當(管線分類或接地不合適)經常造成通信的可靠性下降，在采取本文設計的隔離、接地方案后，可靠性有了極大的提高。該方案適合任何需要隔離保護的嵌入式系統(tǒng)設計，因為任何高可靠性的插拔型接口都需要有隔離保護。