包含收发器与控制器的CAN总线节点芯片的制作方法

本发明涉及CAN现场总线领域，具体涉及一种包含CAN控制器与CAN收发器的CAN总线节点芯片，有效提高了CAN总线系统的集成度与可靠性。

背景技术：

随着计算机网络技术和芯片技术的发展，网络系统中控制芯片的性能大幅提高，成本不断降低，以现场总线为代表的控制网络也在工业以及其他控制系统中扮演着不可缺少的角色。现场总线是应用在现场的，在测量控制设备之间实现双向、串行、多点通信的数字通信系统。它把通用或者专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使之具有数字计算和数字通信能力。其采用一定的介质作为通信总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据传输和信息交换，形成各种适应实际需要的自动化控制系统。

CAN是控制网络Control Area Network的简称，CAN现场总线是基于CAN协议的一种现场总线。CAN现场总线具有通信速率高、直接传输距离远、抗干扰能力强、几乎可以检测发生的任何错误等一系列优点。CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。CAN总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。

在CAN总线系统中，一条总线上通常连接多个CAN节点，网络中各个节点都可根据总线访问优先权竞争向总线发送数据，并且不同节点之间可以同时接收到相同的总线数据。系统中的每个CAN节点均包含CAN收发器与CAN控制器，CAN收发器的功能是实现数字逻辑电平与模拟差分电平之间的转换。在CAN节点中，控制器的内部信号为数字逻辑电平，而总线上的信号是模拟差分电平，收发器的作用就是实现控制器与总线之间的电平转换。CAN控制器是其主要组成部分，用于控制数据的发送与接收、故障处理、仲裁等一系列逻辑功能，CAN所具有的完善的通信协议均由控制器来实现。

在实际的CAN总线系统中，需要CAN收发器与CAN控制器相互配合，才能实现多个现场设备以及现场设备与远程计算机之间数据通信。但目前市面上的CAN收发器与CAN控制器多为分立设计，未集成至一起，这就为芯片的使用带来了不便。

参考文献

1、Dong-Hee Noh,Dong-Seong Kim.Message Scheduling on CAN Bus for Large-Scaled Ship Engine Systems[J].World Congress,2014,47(3):7911-7916.

2、饶运涛,邹继军,郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007,12-18.

3、来清民.手把手教你学CAN总线[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010,109-112。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在将CAN总线收发器与CAN总线控制器集成至同一芯片中，实现芯片的小型化设计，简化CAN总线芯片的使用，提高CAN现场总线系统的集成度与可靠性。本发明采用的技术方案是，包含收发器与控制器的CAN总线节点芯片，由总线收发器模块、CAN总线控制器模块组成，CAN总线控制器模块由内部寄存器、接口管理逻辑、位流处理器、验收滤波器、位时序逻辑以及数据缓冲器组成，内部寄存器用于设定各种控制信号，微控制器和总线控制器之间状态、控制和命令信号的交换都是在内部寄存器中完成；接口管理逻辑用于执行微控制器的命令，管理总线控制器内部的寻址。位流处理器用来控制数据缓冲器和CAN总线之间的数据流同时执行错误检测；验收滤波器用于识别CAN网络中的帧标识；位时序逻辑负责处理与总线相关的位时序；数据缓冲器的功能是存储收发的信息，其划分为发送缓冲器和接收缓冲器；

总线收发器模块包括两个部分，分别是发送部分和接收部分；发送部分由两个驱动控制模块、非门、两个开关MOS管、分压电阻组成，发送的信息接入一个驱动控制模块，发送的信息同时还通过非门接入另一个驱动控制模块，两个驱动控制模块的输出分别对应连接一个开关MOS管的栅极从而形成差分输出至CAN总线；接收部分由迟滞比较器构成。

驱动控制模块由反相器级联构成。

本发明的特点及有益效果是：

目前现场总线的应用已经十分广泛，而CAN总线因其一系列优势已被应用于工业自动化、船舶、汽车工业等多个领域。传统的CAN总线芯片多为分立设计，控制器与收发器未集成在一起，增加了芯片的使用难度，降低了CAN总线系统的稳定性。本发明通过将CAN控制器与CAN收发器集成至同一芯片，实现了芯片的小型化设计，简化了CAN总线芯片的使用，提高了CAN总线系统的稳定性。

附图说明：

图1 CAN节点芯片整体结构框图。

图2 收发器模块结构示意图。

图3 整体版图。

图4 CAN总线系统示意图。

具体实施方式

本发明给出了一种将CAN收发器与CAN控制器集成至一起的CAN总线节点芯片。

本发明将CAN收发器与CAN控制器集成至同一芯片，芯片整体结构框图如图1所示。可划分为总线接收/发送模块和总线协议控制器两个模块。收发器模块包含发送部分与接收部分，控制器模块包含内部寄存器等功能模块，用以实现总线协议。

CAN总线收发器模块结构示意图如图2所示，主要包括发送部分与接收部分。发送部分由驱动控制模块、开关MOS管、分压电阻组成，接收部分则为一个迟滞比较器。图中电阻R5为总线等效电阻(一般为60Ω)，在实际设计中为保证对总线的驱动能力，设计时R5设为50欧姆，R1和R2分压得到2.5V电压用于提供总线的隐性偏置，R3和R4用于隔离显性电平和隐性电平(P0和N0处于导通状态)，二极管用于防止总线上电平过高或者过低对电源造成影响。P0与N0同时导通时CANH和CANL的电平分别为3.5V、1.5V，此时总线上的电流为40mA，因此P0与N0导通时的电流为40mA，这样需要P0和N0的宽长比较大(提供40mA的电流)。大比例MOS管需要前一级有较强的驱动能力，所以电路中采用了反相器级联的驱动电路。接收电路是一个迟滞比较器，将差分模拟信号转化为数字信号，采用迟滞的目的是为了防止信号的抖动，提高信号的质量。

收发器是数据交换的接口，分别连接CAN控制器与物理总线，本质就是实现总线差动电平向数字逻辑电平的转换。因此，作为一个收发器，IO端口设置有连接物理总线的CANH和CANL端口，并有从协议控制器端接收和发送数据的RX和TX端口，以及VDD和GND接电源和接地端口。

CANH对应高电平总线，CANL对应低电平总线，两者连接到物理总线上，接收来自总线上的差动信号。TX端口是指经协议控制器处理过的数据通过此端口传入到收发器然后由收发器发送到总线上，称为发送数据端口；RX端口是指收发器将从物理总线上接收差动数据处理为串行的数字信号之后传输到协议控制器，称为接收数据端口。

当CAN控制器向发送端发送数字逻辑电平0时，物理总线上得到差动电平CANH和CANL分别为3.5V和1.5V，接收端得到信号0；当CAN控制器向发送端发送数字逻辑电平1时，物理总线上得到差动电平CANH和CANL分别为2.5V和2.5V，接收端得到信号1。

CAN总线控制器模块是实现总线协议的主要模块，其划分为内部寄存器、接口管理逻辑、位流处理器、验收滤波器、位时序逻辑以及数据缓冲器。内部寄存器用于设定各种控制信号，微控制器和总线控制器之间状态、控制和命令信号的交换都是在内部寄存器中完成。接口管理逻辑用于执行微控制器的命令，管理总线控制器内部的寻址。位流处理器用来控制数据缓冲器和CAN总线之间的数据流同时执行错误检测等功能。验收滤波器用于识别CAN网络中的帧标识。位时序逻辑负责处理与总线相关的位时序。数据缓冲器的功能是存储收发的信息，其划分为发送缓冲器和接收缓冲器。

在完成控制器模块与收发器模块的设计之后，通过合理的版图布局(如图3所示)将两个模块集成至同一芯片中。经过适当的封装，得到集成有CAN控制器与CAN收发器的CAN总线节点芯片。

本发明的一个实例如下：

首先对CAN总线节点芯片进行整体测试，确定芯片功能正确性。以CAN总线节点芯片为基础，搭建CAN总线系统。如图4所示，每个CAN节点均由传感器执行器、微控制器(单片机)、CAN总线节点芯片组成，通过适当的传感器检测到现场设备发生的变化，执行器发送相应的信号给微控制器，然后控制CAN总线节点芯片产生对应的信号，并经过仲裁发送至总线，信号通过总线传送至远程控制计算机，进而使远程控制计算器得知现场设备发生的变化，并作出回应。