第11章LIN总线收发器TJA1020

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十一章,LIN,总线收发器,TJA1020,第一节 简介,第二节 总体描述,第三节 从机应用,第四节 主机应用,第一节 简介,LIN,总线是一个低速的（最高,20Kb/s,）,A,类串行总线协议。,LIN,的子总线可以用于像座椅、门、控制板和方向盘等模块。它的作用是将开关、执行元件和传感器从子总线连接到主总线（如,CAN,总线）。,LIN,协议采用,8N1,编码字节区的,UART/SCI,串行数据链路格式。,LIN,网络包括一个主机节点和一个或多于一个从机点；主机节点控制媒体访问。这样一个单主机多从机的网络如,图,11-1,所示。,下一页,返回,第一节 简介,LIN,的物理层在,ISO 9141,标准中定义，并且为了符合汽车环境中的特殊应用（譬如,EMC,、,ESD,等），还作了一定的提高。,本章将讲述,TJA1020,在,LIN,中作为物理媒体连接工具的技术实现。典型的,LIN ECU,如,图,11-2,所示。,上一页,返回,第二节 总体描述,一、,TJA1020,的特征,TJA1020,的主要特征是：,（,1,）波特率高达,20Kbps,。,（,2,）修整输出波形以使电磁辐射（,EME,）非常低。,（,3,）高抗电磁干扰性（,EMI,）。,（,4,）在低速应用中使用低斜率模式以进一步减少,EME,。,（,5,）睡眠模式中的电流消耗极低。,（,6,）在,LIN,对,GND,短路时电池受到放电保护。,（,7,）传输数据（,TXD,）显性超时功能。,（,8,）电池的工作范围广，可以从电压降（,5V,）到跳变启动情况（,27V,）。,下一页,返回,第二节 总体描述,（,9,）控制输入电平和,3.3V,以及,5V,的器件兼容。,（,10,）,LIN,从机应用时集成端电阻。,（,11,）睡眠模式下本地和远程唤醒。,（,12,）唤醒源的识别（本地或远程）。,（,13,）不上电情况下的自动防故障保护，没有反向电流通路。,（,14,）总线终端可防止短路和汽车环境下的瞬变。,（,15,）直接的电池操作，可以防止负载断电、跳跃启动和瞬态。,（,16,）不需要,5V,电源。,（,17,）温度保护。,上一页,下一页,返回,第二节 总体描述,二、,TJA1020,的方框图,TJA1020,的方框图如,图,11-3,所示。,三、,TJA1020,的工作模式,TJA1020,共有四种工作模式，它们分别是普通斜率模式、低斜率模式、准备模式和睡眠模式。这些操作模式的详细情况如,表,11-1,和,图,11-4,所示。,1.,睡眠模式,TJA1020,的睡眠模式使,LIN ECU,的功耗非常低。这是由于收发器本身的电流消耗非常低，而且通过,INH,输出关断了外部电压调节器造成的。因此，睡眠模式中，,INH,引脚悬空。,上一页,下一页,返回,第二节 总体描述,尽管功率的消耗极低，但,TJA1020,仍能识别,LIN,引脚的远程唤醒和,NWAKE,引脚的本地唤醒并将模式切换到准备模式。而且，,TJA1020,还可以通过引脚,NSLP,直接激活普通或低斜率模式，这对于单片机的电源不是由,INH,输出控制的应用非常有用。,TJA1020,收发器的接收器（,LIN,）的输入、本地唤醒输入（,NWAKE,）和睡眠控制输入（,NSLP,）使用滤波器和,/,或定时器，以防止由汽车瞬态或,EMI,造成的不必要的唤醒。因此，所有的唤醒都要维持一段时间（,t,BUS,，,t,WAKE,，,t,gotonorm,）,上一页,下一页,返回,第二节 总体描述,如果睡眠输入引脚,NSLP,的低电平维持了至少,tgotonorm,(,见,图,11-5,),而且这段时间内没有发生唤醒事件，则,TJA1020,进入睡眠模式。这段滤波时间可以防止,TJA1020,由于,EMI,产生的不必要的瞬态而进入睡眠模式。如果引脚,LIN,和,/,或,NWAKE,连接到地也可以激活睡眠模式，譬如对地短路。,睡眠模式中，连接引脚,LIN,和,BAT,的内部从机端电阻,R,SLAVE,禁能；可以将它看做是一个弱点流源。当,LIN,总线对地短路时，它将电流的消耗减到最低。,上一页,下一页,返回,第二节 总体描述,2.,准备模式,准备模式是一个中间模式，只有当,TJA1020,在睡眠模式时产生远程和本地唤醒时才会进入准备模式。准备模式中，,INH,引脚输出高电平，将外部电压调节器激活。另外，连接引脚,LIN,和,BAT,的内部从机端电阻,R,SLAVE,激活。,TJA1020,用,RXD,引脚的低电平来标志准备模式。它也可以作为单片机的唤醒中断请求。另外，唤醒源可以用引脚,TXD,的下拉来标志。远程唤醒事件会在引脚,TXD,产生弱下拉，而本地唤醒事件将在,TXD,引脚产生强下拉。外部的上啦电阻由所使用的单片机来决定。,上一页,下一页,返回,第二节 总体描述,图,11-6,和,图,11-7,是远程和本地唤醒的时序图以及在引脚,RXD,和,TXD,的特定输出。如果,LIN,总线在一个隐形总线电平之后的显性电平至少持续,t,BUS,，则可以通过,LIN,总线检测到远程唤醒。如果低电平持续了至少,t,NWAKE,，则,NWAKE,引脚的下降沿将引起本地唤醒。,3.,普通斜率模式,普通斜率模式用于通过,LIN,总线发送和接收数据。总线数据流由接收器转换成数字位流并在,RXD,引脚输出到单片机。,RXD,引脚的高电平表示,LIN,总线是隐形电平，而低电平表示,LIN,总线是显性电平。,上一页,下一页,返回,第二节 总体描述,TJA1020,的发送器将在,TXD,输入的单片机数据流转换成,LIN,总线信号波形，并加以修整，使,EME,达到最小。,TXD,输入的低电平会使,LIN,总线是显性电平。而高电平性则是,LIN,总线是隐性电平。,普通斜率模式中，内部从机端电阻,R,SLAV,E,将,LIN,总线引脚拉高。引脚,INH,的电池高电平使外部电压调节器保持接通。,将引脚,NSLP,和,TXD,置高电平，并持续至少,t,gotonorm,max,也可以进入普通斜率模式。当,t,gotonorm,超时后会执行模式转换。,图,11-8,是从睡眠模式或准备模式转换成普通斜率模式的时序图。,上一页,下一页,返回,第二节 总体描述,4.,低斜率模式,如果,LIN,系统的速率低于,10Kb/s,，可以使用低斜率模式。它和普通斜率模式相比可以进一步减少（普通斜率模式中）已经非常低的,EME,。因此，它和普通斜率模式的唯一不同点式总线符号的过渡时间。低斜率模式的过渡时间是普通斜率模式过渡时间的两倍，如,图,11-9,.,低斜率模式只能通过睡眠或准备模式进入，不可能直接从普通斜率模式直接转换成低斜率模式。,当引脚,TXD,的低电平和引脚,NSLP,的高电平维持了至少,t,gotonorm.max,TJA1020,进入低斜率模式。当,t,gotonorm,超时后会执行模式转换。,图,11-10,是从睡眠模式或准备模式转换成低斜率模式的时序图。,上一页,下一页,返回,第二节 总体描述,四、,TJA1020,和,3.3V,器件兼容,TJA1020,被设计成用于日益增长的汽车低电压应用。它的引脚,TXD,和,NSLP,减小了输入阀值，输出引脚,RXD,和,TXD,为漏极开路。因此。它可以和使用,3.3V,或,5V,电压的单片机兼容。这样，,TJA1020,和主单片机之间不需要,5V,的转换接口，而且收发器本身不需要额外的,Vcc,电源。,为使引脚,RXD,和,TXD,达到高电平，当单片机的端口引脚没有集成上拉电阻时，要加外部上拉电阻。,上一页,下一页,返回,第二节 总体描述,五、,TJA1020,的特性,1.,限制值,根据绝对最大等级系统（,IEC 60134,），所有电压都参考引脚,GND,。限制值如,表,11-2,所示。,2.,温度特性,根据,IEC7471 TJA1020,的温度特性如,表,11-3,所示。,3.,特征,TJA1020,特征见,表,11-4,，其中，,V,BAT=527V,；,T,vj,=-40+150,；,R,L(LIN-BAT),=500,；所有电压根据地定义；流入,IC,的是正向电流；典型值是在,V,BAT,=12V,的情况下得出。,上一页,返回,第三节 从机应用,一、结构,图,11-11,是,LIN,收发器,TJA1020,的从机应用。单片机通过,UART/SCI,接口或标准,I/O,口引脚连接到,LIN,收发器。,TJA1020,的,TXD,引脚是发送数据输入，,RXD,引脚是接收数据输出,.LIN,收发器的睡眠控制输入,NSLP,可以通过单片机的端口引脚来控制。,TJA1020,还有一个内部从机端电阻。因此，从机应用不需要外部的,LIN,总线端电阻。推荐使用图,11-11,中的电容,C,SLAVE,，以提高,LIN,系统的,EME,和,EMI,性能。,下一页,返回,第三节 从机应用,二、详细的引脚描述,1.NSLP,引脚,睡眠控制引脚,NSLP,有内部下拉电阻,RSLP,，当发生开路故障时，仍能保持一个固定的输入电平。,NSLP,的低电平使,TJA1020,进入睡眠模式，并将功率的消耗减到最小。器件电源的输入阀值范围是,5V,和,3.3V,。典型的,NSLP,引脚应用如,图,11-12,所示。,单片机端口引脚对,NSLP,引脚的最小驱动能力可以用下面的方程计算，即当,V,c,V,IH(SLP),时，端口在最小高电平时的引脚输出能力为：,式中：,V,IH(SLP),，,min,NSLP,高电平输入电压的最小值；,R,SLP,min,NSLP,下拉电阻的最小值；,I,IL,（,SLP,），,max,NSLP,低电平输入电流的最大值。,上一页,下一页,返回,（,11-1,）,第三节 从机应用,2.TXD,引脚,（,1,）唤醒源识别。,TXD,是一个双向引脚。在普通斜率模式和低斜率模式中，它作为发送数据输入，而在准备模式中用于标至唤醒源。,TXD,引脚的低电平输出表面在,NWAKE,引脚发生本地唤醒事件。如果,NWAKE,引脚被用作本地唤醒源，,TXD,引脚要被上拉。这个上拉可以用两种方法执行：,单片机的端口引脚有集成的上拉电阻,R,TX,（,C,）,（见,图,11-13,（,a,）,）；,将外部上拉电阻,R,TX,（,ext,）,连接到本地,V,CC,（见,图,11-13,（,b,）,）,上一页,下一页,返回,第三节 从机应用,如果没有本地唤醒源，则不需要外部上拉电阻。,TXD,不会被,TJA1020,强下拉至低电平。如果,TJA1020,使用本地唤醒特征，外部上拉电阻,R,TX,要求的上拉能力由下面的条件定义：,当发生本地唤醒事件时，集成的唤醒源晶体管具有拉引脚,TXD,到低的驱动能力；,TJA1020,的集成,TXD,下拉电阻,R,TXD,。,单片机端口引脚的能力以及上拉电阻,R,TX,的值可以用下面的方程计算，即在,V,TX,（,C,）,V,IH,（,TXD,），,min,时的最小高电平上拉电流为：,上一页,下一页,返回,（,11-2,）,第三节 从机应用,当,V,TX,（,C,）,V,IH,（,TXD,），,min,时的最大低电平上拉电流为：,式中：,V,TXD,=0.4V,。,上拉电阻的阻值范围是：,R,TX,minx,R,TX,R,TX,max,上一页,下一页,返回,（,11-3,）,（,11-4,）,第三节 从机应用,式中：,V,IH,（,TXD,），,min,TXD,高电平输入的最小电压；,V,IL,（,TXD,），,max,TXD,低电平输入的最大电压；,R,TXD,，,min,TXD,下拉电阻的最小阻值；,I,IL,（,TXD,），,max,TXD,低电平输入的最大电流；,I,OL,（,TXD,），,min,TXD,低电平输出的最小电流；,注意：由于,TXD,引脚的,LIN,信号上升和下降的过程对称，因此它对整个系统的容差有影响。所以建议,TXD,输入的,RC,（负载）时间常数尽量小。,上一页,下一页,返回,第三节 从机应用,（,2,）开路处理。引脚,TXD,有一个内部弱下拉电阻,R,TXD,，它可以保证在出现开路故障时还能维持定义的输入电平。,TXD,的输入电平时显性，,TXD,控制超时功能可以防止,LIN,总线被箝位在显性电平而禁能发送器，而且弱下拉可以提供一个输出电平来释放,TXD,引脚。,（,3,）,RXD,引脚。接收数据输出,RXD,提供了一个开漏特性以获得和单片机电源电压适配的输出电平。因此，,3.3V,的单片机可以在不用兼容接口时使用。如果单片机没有集成的上拉电阻，则要加上连接到单片机电压电压,V,CC,的外部上拉电阻。,图,11-14,是典型的,RXD,应用。,上一页,下一页,返回,第三节 从机应用,上拉电阻,R,RX,的阻值由,TJA1020,的,RXD,输出引脚的驱动能力确定，可以通过下式计算上拉电阻的阻值范围：,R,RX,，,min,R,RX,R,RX,，,max,其中,上一页,下一页,返回,（,11-5,）,第三节 从机应用,式中：,I,LH,（,RXD,），,max,最大的,RXD,高电平漏电流；,I,OL,（,RXD,），,min,最小的,RXD,低电平漏电流；,V,HIGH,（,RX,），,min,单片机端口引脚（,RX,）最小的高电平输入电压；,V,LOW,（,RX,），,max,单片机端口引脚（,RX,）最大的低电平输入电压；,注意：由于,RXD,引脚的,LIN,信号上升和下降的过程对称，因此它对整个系统的容差有影响。所以建议,RXD,输出的,RC,（负载）时间常数尽量小，但上拉电阻,R,RX,不应当低于,1k,。,上一页,下一页,返回,第三节 从机应用,（,4,）,NWAKE,引脚。可以通过本地唤醒输入引脚,NWAKE,的下降沿检测本地唤醒事件。在下降沿后必须要有维持至少,t,NWAKE,的低电平以保证最基本的,EMI,滤波。,NWAKE,引脚有一个电流流向电池的内部弱下拉电流源,I,IL,（,NWAKE,）,，它在开路故障时可以定义一个引脚高电平。建议连接一个外部上拉电阻,R,WAKE1,为外部唤醒开关或晶体管提供足够的电流。如果,NWAKE,的唤醒源和,TJA1020,的接地通路不同，建议在,NWAKE,引脚和唤醒源之间连接一个串联电阻,R,WAKE2,.,如果在唤醒源仍然连接到地而,ECU,丢失了地时，串联电阻,R,WAKE2,可以通过,NWAKE,的内部保护二极管保护,ECU,不会有反向电流。,图,11-15,是一个典型的,NWAKE,引脚应用，它通过外部开关进行本地唤醒。,上一页,下一页,返回,第三节 从机应用,上拉电阻,R,WAKE1,只是由唤醒源要求的电流决定，而串联电阻,R,WAKE2,主要由应用中的,ECU,和外部唤醒源的电平偏移决定。用下式计算建议的串联电阻阻值范围：,串联电阻的阻值范围：,其中：,上一页,下一页,返回,第三节 从机应用,式中,V,IL(NWAKE),max,最大的,NWAKE,低电平输入电压；,I,IL(NWAKE),min,最小的,NWAKE,上拉电流；,I,NWAKE,min,最小的,NWAKE,输出电流限值；,上一页,下一页,返回,（,11-6,）,第三节 从机应用,由于,NWAKE,引脚内部上拉电阻和滤波特性，因此当应用不需要本地唤醒时，,NWAKE,要保持开路。建议将,NWAKE,引脚直接连接到,BAT,引脚（见,图,11-16,（,b,）,）。,对于其他引脚,3,是,V,CC,电源输入而不是本地唤醒输入的,LIN,收发器，,TJA1020,也可以在硬件上兼容。因此，,NAWKE,输入的唤醒阀值被定义为高于,5V,。这样，这个引脚可以直接连接到应用的,V,CC,电源，而且当,V,CC,下降时也不会产生唤醒事件。,但在一些应用中，要求,LIN,节点在上电后会自动唤醒。这个功能可以用,NWAKE,引脚上的,RC,电路来实现（见图,11-16,（,b,）。上电期间，这个,RC,电路可以将,NWAKE,的输入电压,V,NWAKE,维持在,V,IL(NWAKE),，,max,至少,t,NWAKE,，,max,时间，以产生一个本地唤醒。,上一页,下一页,返回,第三节 从机应用,图,11-17,是电池电压,V,BAT,和在上电期间的,NWAKE,电压,V,NWAKE,，它显示了唤醒,TJA1020,的限制。,RC,电路可以通过下面的方程计算，即上电后唤醒的,RC,时间常数为：,式中，,t,NWAKE,，,max,通过,NWAKE,唤醒的最大显性时间；,t,BAT,-ON,，,max,V,BAT,的最大上电斜坡上升时间。,上一页,下一页,返回,（,11-7,）,第三节 从机应用,（,5,）,INH,引脚。,INH,控制的电压调节器。,INH,输出引脚是一个连接着,BAT,引脚的开漏输出，它可以控制一个外部电压调节器。典型的,INH,引脚应用如,图,11-18,（,a,）,所示。,下拉电阻,R,INH,的阻值范围可以用下面的方程计算，即下拉电阻的阻值范围：,上一页,下一页,返回,（,11-8,）,第三节 从机应用,式中：,I,LH(INH),，,max,最大的,INH,高电平漏电流；,V,LOW(VoltReg,),，,max,最大的限制低电平输入电压（电压调节器）。,直接的电压调节器电源。由于,INH,具有驱动能力，,TJA1020,可以直接给电压调节器供电。,图,11-18,（,b,）,是一个从设备的典型,INH,引脚应用。,INH,引脚到电压调节器的最大电源电流,I,INH,，,max,和最大的电压降,V,DROP,可以用下面的方程计算，即引脚,INH,的最大电源调节器电源电流为：,上一页,下一页,返回,第三节 从机应用,式中：,I,INH,，,max,50mA,INH,引脚的最大电压降,:,上一页,下一页,返回,（,11-9,）,（,11-10,）,（,11-11,）,第三节 从机应用,式中：,P,Q,，,max,最大的静止功率功耗（普通斜率模式，总线隐性，,V,INH,=V,BAT,），,图,11-19,；,P,TX,，,max,最大的发动器功率消耗（普通斜率模式，发送占空比,=50%,，,V,INH,=V,BAT,），见,图,11-19,；,R,SW(INH),，,max,BAT,和,INH,的最大开关阻抗；,T,vj,，,max,最大的虚拟连接点温度（,K,）；,T,amb,，,max,最大的环境温度（,K,）；,R,th,（,j-a,）,温度阻抗（,K/W,）。,上一页,下一页,返回,第三节 从机应用,（,6,）,LIN,引脚。引脚,LIN,用于在,LIN,总线上发送和接收数据。发送是由一个控制波形的下方开关管来执行，而接收是由接收器执行。接收器的阀值,V,th,（,rx,）,和,BAT,引脚电压有关，并有滞后,V,thr,（,hys,）,.,LIN,引脚具有弱上拉电流源,I,IL,（,LIN,）,和一个与,BAT,并联的从机端电阻,R,SLAVE,。从机端电阻、电流源以及下方开关管都有一个保护电流二极管。因此，不需要外部元件。而且，在,LIN,总线上使用一个电容负载可以改善,EME,和,EMI,特性，如,图,11-11,所示。,由于从机端电阻,R,SLAVE,在睡眠模式中关断，电流源,I,IL,（,LIN,）,可以作为一个额外的弱上拉。因此，当,LIN,对地短路时，转换到睡眠模式将减少电流消耗。,上一页,返回,第四节 主机应用,一、主机终端直接连接到,BAT,如,图,11-20,所示，主机应用通过在,LIN,和,BAT,引脚之间串联的反响电流二极管和电阻,R,MASTER,实现。,这样的主机应用解决方案在,LIN,总线错误地对地短路时并不提供自动防故障功能。短路电流不能被关断，所以电池将持续放电。,二、主机终端连接到,INH,为了实现自动防故障，,TJA1020,支持使用,INH,引脚驱动主机终端电阻,R,MASTER,的高级应用解决方案。如,图,11-21,主机端电阻和反向电流二极管串联连接到,INH,引脚而不是,BAT,引脚。这个解决方案的优点是可以通过切换到睡眠模式来关断主机终端，这样就解决了上面提到的,LIN,对地短路。,下一页,返回,第四节 主机应用,在应用中，单片机检测到由于,LIN,总线对地短路而产生的持续显性电平后，可以通过选择睡眠模式来减少功率消耗。切换到睡眠模式可以关断外部电压调节器、主机终端,R,MASTER,和内部的从机端电阻,RSLAVE,。内部的弱上拉电流源,I,IL,（,LIN,）,和,TJA1020,的内部电流消耗决定了,LIN,节点在这个故障情况下的电流消耗。,三、,INH,和,BAT,的主机终端分离,由于前面提到的高级主机终端提供了一个自动防故障系统，而且睡眠模式中有高的,LIN,总线阻抗。如果,LIN,总线可以容忍高的短路电流，则可以选择如,图,11-22,所示的终端概念。,上一页,下一页,返回,第四节 主机应用,当,TJA1020,在准备、普通斜率或低斜率模式中时，并联的电阻,R,MASTER-BAT,和,R,MASTER-INH,决定主机的终端。睡眠模式中，主机终端由,R,MASTER-BAT,决定。因此，最大的,LIN,总线短路电流,I,SC,，,max,可以用,R,MASTER-BAT,来平衡：,式中,R,MASTER,等于,1k,。,上一页,返回,图,11-1,单主机,/,多从机原理,返回,图,11-2,典型的,LIN ECU,返回,图,11-3 TJA1020,方框图,返回,表,11-1 TJA1020,工作模式,返回,图,11-4 TJA1020,状态图,返回,图,11-5,睡眠模式时序图,返回,图,11-6,远程唤醒的准备模式时序图,返回,图,11-7,本地唤醒的准备模式时序图,返回,图,11-8,普通斜率模式时序图,返回,图,11-9,低斜率模式减少,LIN,总线斜率,返回,图,11-10,低斜率模式时序图,返回,表,11-2,限制值,下一页,表,11-2,限制值,返回,上一页,表,11-3 TJA1020,温度特性,返回,表,11-4 TJA1020,特征,下一页,表,11-4 TJA1020,特征,下一页,上一页,表,11-4 TJA1020,特征,下一页,上一页,表,11-4 TJA1020,特征,下一页,上一页,表,11-4 TJA1020,特征,下一页,上一页,表,11-4 TJA1020,特征,下一页,上一页,表,11-4 TJA1020,特征,下一页,上一页,表,11-4 TJA1020,特征,返回,上一页,图,11-11 TJA1020,从机应用举例,返回,图,11-12,典型的,NSLP,引脚应用,返回,图,11-13,典型的,TXD,引脚应用,返回,图,11-14,典型的,RXD,引脚应用,返回,图,11-15,典型的,NWAKE,引脚应用,返回,图,11-16,典型的,NWAKE,引脚应用,上电唤醒,返回,图,11-17,上电后唤醒的时序,返回,图,11-18,典型的,INH,引脚应用,返回,图,11-19,普通模式中的功率消耗,返回,图,11-20,典型的主机终端,返回,图,11-21 INH,的高级主机终端,返回,图,11-22,平衡的主机应用,返回,