【導(dǎo)讀】目前市場(chǎng)上最常用的CAN通訊接口器件大多都是采用5V供電，而大部分的MCU供電電壓卻從5V降低到了3.3V供電，這樣就會(huì)造成5V CAN通訊接口器件和3.3V MCU進(jìn)行通訊時(shí)的接口電平不一致問(wèn)題，本文針對(duì)這種應(yīng)用提出幾種5V供電CAN器件和3.3V供電MCU之間的連接方式，并給出了川土微電子產(chǎn)品的具體應(yīng)用案例。
CAN器件概述和MCU之間的連接
CAN器件和MCU之間是通過(guò)RXD和TXD進(jìn)行連接的，MCU發(fā)送的數(shù)據(jù)到CAN器件TXD后，由CAN收發(fā)器轉(zhuǎn)換成CAN的隱性和顯性電平發(fā)送到CAN總線(xiàn)，在接收數(shù)據(jù)時(shí)，CAN總線(xiàn)上的隱性和顯性電平通過(guò)CAN收發(fā)器轉(zhuǎn)換成邏輯電平由RXD輸出到MCU。
以川土微電子的CA-IF1051S/HS為例，對(duì)于5V供電的CAN收發(fā)器，TXD輸入的電平范圍通常是VIH>2V, VIL<0.8V，3.3V MCU輸出的電平可以滿(mǎn)足這個(gè)要求，所以，3.3V供電的MCU TXD輸出可以直接連接到5V供電的CAN TXD。但是5V供電 CAN收發(fā)器的RXD輸出通常是VOH>4V，VOL<0.4V，對(duì)于輸出的高電平4V已經(jīng)超過(guò)了MCU的供電電壓，所以通常需要對(duì)CAN收發(fā)器輸出的RXD進(jìn)行處理后再和MCU進(jìn)行連接。
1、直接連接，由MCU的輸入引腳特性決定
對(duì)于有些3.3V供電電源的MCU，其IO引腳可以承受5V的電壓，在這種情況下，可以直接將5V CAN收發(fā)器的RXD輸出直接連接到MCU的RXD引腳。
上圖為一款常用MCU的引腳定義圖，可以看出，該MCU 的CAN RXD和CAN TXD在3.3V供電時(shí)，IO引腳是可以承受5V的電壓。在MCU采用3.3V供電的情況下，可以支持和5V供電的CAN收發(fā)器進(jìn)行連接。
2、通過(guò)電阻進(jìn)行分壓連接
如果MCU的引腳無(wú)法承受超過(guò)其自身供電電源的電壓，可以通過(guò)兩個(gè)分壓電阻來(lái)衰減CAN收發(fā)器輸出的電壓以滿(mǎn)足處理器的輸入電平要求。
對(duì)于電阻R1和R2的選擇，要求分壓后連接到MCU的高電平電壓不超過(guò)處理器供電電壓3.3V且高于處理器VIH的接收門(mén)限。通常R1可以選擇2kΩ—20kΩ，R2選擇3.3kΩ—33kΩ。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是兩邊的器件都不會(huì)承受過(guò)壓的情況，并且設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是功耗增加，因?yàn)樵诳偩€(xiàn)空閑狀態(tài)時(shí)，RXD的輸出是高電平，由于分壓電阻連接到GND，所以在總線(xiàn)空閑狀態(tài)下一直有電流流過(guò)R1和R2，造成功耗增加。
3、通過(guò)限流電阻連接
對(duì)于MCU的IO引腳，內(nèi)部通常都帶有保護(hù)二極管，當(dāng)超過(guò)電源電壓后內(nèi)部二極管導(dǎo)通，IO引腳一般能夠承受數(shù)個(gè)毫安的吸收電流。通過(guò)外部的限流電阻來(lái)保護(hù)引腳不被損壞并且把輸入電壓限制到不超過(guò)處理器的供電電壓。
對(duì)于R1電阻的選擇要求較低，可以通過(guò)選擇電阻把流入MCU的電流限制到很低來(lái)降低功耗。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，同時(shí)也可以兼容3.3V CAN收發(fā)器。外部電阻可以限制到更低的電流來(lái)降低總線(xiàn)空閑時(shí)的功耗。缺點(diǎn)就是MCU引腳內(nèi)部的保護(hù)電路工作，吸收一定的電流。
4、通過(guò)MOSFET實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換
由于處理器和CAN收發(fā)器的供電電源不同，采用電平轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)不同電壓的電平轉(zhuǎn)換來(lái)滿(mǎn)足雙方的要求。可以采用集成的電平轉(zhuǎn)換器。但是該應(yīng)用中只有一路信號(hào)需要電平轉(zhuǎn)換，也可以通過(guò)外部的一個(gè)MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。
該設(shè)計(jì)中可以選擇2N7002 N-MOSFET，當(dāng)CAN收發(fā)器的RXD輸出為高電平時(shí)，MOSFET不導(dǎo)通，MCU的RXD輸入由上拉電阻保持輸入高電平，當(dāng)CAN收發(fā)器的RXD輸出為低時(shí)，MOSFET體二極管導(dǎo)通，把MCU的輸入端拉低同時(shí)MOSFET導(dǎo)通，使MCU的RXD輸入端為低電平。這種設(shè)計(jì)方式可以實(shí)現(xiàn)最低的功耗并且MCU不會(huì)承受過(guò)壓狀態(tài)。相比較之前的方案，MOSFET的成本會(huì)比電阻稍高。
川土微電子推出的CA-IF1051S CAN收發(fā)器采用5V供電，該器件支持經(jīng)典CAN 1Mbps和最高5Mbps CAN-FD通訊，具有±58V故障保護(hù)電壓和±30V共模輸入電壓。內(nèi)部的顯性超時(shí)保護(hù)功能可以支持最低4kbps的通訊速率，可以確保CAN通訊的可靠。采用上述方式可以實(shí)現(xiàn)和3.3V MCU之間的通訊連接。CA-IF1051VS器件帶有IO供電電源，可以直接支持3.3V的接口供電而不需增加額外器件來(lái)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。
本文分析了處理器和CAN收發(fā)器輸入輸出的邏輯電平要求，給出了4種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)3.3V MCU和5V CAN收發(fā)器之間的通訊連接，并分析了各個(gè)實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于方案3的設(shè)計(jì)，可以同時(shí)兼容3.3V CAN器件的連接。川土微電子的多款CAN收發(fā)器產(chǎn)品可以滿(mǎn)足客戶(hù)不同的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)可靠的CAN通訊。
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