كيفية ضمان اتصال موثوق بين MCU وجهاز الإرسال والاستقبال المعزول؟
الخلاصة: في اتصال الناقل ، يحتاج MCU في جهاز الناقل إلى توصيل جهاز إرسال واستقبال ناقل بشبكة الحافلات ، ماذا يحدث إذا كان جهد مصدر الطاقة في MCU لا يتطابق مع جهد جهاز الإرسال والاستقبال؟ ستأخذ هذه المقالة CAN bus كمثال لتحليل أهمية مطابقة المستوى من منظور مستوى الواجهة.
1. مستوى CMOS
تستخدم معظم الدوائر الرقمية المتكاملة الآن تقنية CMOS ، ويتوافق مستوى واجهتها تقريبًا مع التعريفات التالية:
VIL <0.3Vcc ؛ VIH> 0.7Vcc ؛
VOL <0.1Vcc ؛ VOH> 0.9Vcc.
بأخذ أنظمة 5V و 3.3V الشائعة كمثال ، تظهر معلمات الواجهة المقابلة في الجدول 1.
الجدول 1 متطلبات المستوى تحت إمدادات الطاقة المختلفة
ملاحظة: البيانات الواردة في الجدول ليست سوى قيمة مرجعية للحساب ، ويجب أن تشير المعلمات الفعلية للجهاز إلى ورقة البيانات المقابلة.
ثانيًا ، المستوى غير متطابق
لضمان نقل إشارة موثوق به بين الجهازين ، يجب التأكد مما يلي:
u يجب أن يكون VOH (MIN) الخاص بإخراج برنامج التشغيل أعلى من VIH (MIN) لمدخل جهاز الاستقبال ؛
u يجب أن يكون VOL (MAX) لمخرج المحرك أقل من VIL (MAX) لمدخل جهاز الاستقبال ؛
ش يجب ألا يتجاوز خرج جهد الخرج من قبل السائق إدخال تحمل جهد الإدخال / الإخراج بواسطة جهاز الاستقبال ؛
عند توصيل جهازي CMOS معًا ، إذا كان جهد الإمداد هو نفسه ، فلا توجد مشكلة في نقل الإشارة. إذا كانت الفولتية الإمداد للجهازين غير متسقة ، فستكون هناك مشكلة عدم تطابق المستوى.
بأخذ توصيل جهاز 3.3 فولت وجهاز 5 فولت كمثال ، ستحدث المشكلتان التاليتان:
قد لا يتعرف دبوس إدخال الجهاز u5V على مستوى الإخراج العالي بواسطة جهاز 3.3 فولت
كما هو مبين في الشكل 1 ، الحد الأقصى لإخراج VOH لجهاز 3.3 فولت هو 3.3 فولت ، ولا يمكن أن يصل إلى الحد الأدنى لقيمة VIH لجهاز 5 فولت ، وهو 3.5 فولت. لا يمكن ضمان أن يكون مستوى الإخراج العالي بجهاز 3.3 فولت صحيحًا المحددة. نظرًا للهوامش في تصميم الجهاز ، فقد يظل يعمل عند اختباره ، ولكن هناك خطر من حدوث مشكلات إذا تذبذب جهد الجهاز.
الشكل 1 خرج الجهاز 3.3 فولت ، إدخال إشارة 5 فولت
قد يؤدي مستوى الإخراج العالي لجهاز u5V إلى إتلاف واجهة الإدخال الخاصة بجهاز 3.3 فولت.
كما هو مبين في الشكل 2 ، فإن إشارة الخرج عالية المستوى لجهاز 5 فولت أعلى بكثير من تلك الخاصة بجهاز 3.3 فولت.إذا كان دبوس الإدخال للجهاز 3.3 فولت لا يدعم إدخال مستوى 5 فولت ، فسوف يتدفق التيار إلى الجهاز 3.3 فولت أثناء التشغيل ، مما يؤدي إلى إتلاف الجهاز بشكل خطير.
الشكل 2 خرج إشارة 5 فولت ، إدخال إشارة 3.3 فولت
3. اختيار أجهزة الإرسال والاستقبال المعزولة
خذ منتج سلسلة CTM1051 (A) M كمثال ، شريحة تقنية CMOS المستخدمة فيها لها مستوى الدبوس كما هو موضح في الشكل 3 ، والذي يتوافق مع معيار مستوى CMOS. عند اختيار النماذج ، يجب تحديد الطرز المقابلة لوحدات MCU مختلفة لتجنب المشاكل بسبب عدم تطابق المستوى.إذا كان MCU مدعومًا بجهد 5 فولت ، فيجب تحديد CTM1051M ؛ إذا تم تشغيل MCU بواسطة 3.3 فولت ، فيجب تحديد CTM1051AM.
الشكل 3 CTM1051 (A) M مستوى الدبوس
الرابعة ، القضية الفعلية
يستخدم العميل وحدة إرسال واستقبال CAN معزولة من شركتنا ، والتي تم شحنها بكميات كبيرة ، ولكن هناك بعض الظواهر غير الطبيعية في التطبيق. تتجلى المنتجات غير الطبيعية في صورة حالات فشل اتصال متقطع في ناقل CAN. عندما يكون المنتج في بيئة ذات درجة حرارة عالية (مثل 65 درجة مئوية) ، يمكن تشغيله بشكل متكرر لإعادة إنتاج ظاهرة فشل الاتصال.
1. استنساخ الاستثناء
ضع المنتج غير الطبيعي في الفرن عند 65 درجة ، واختبر الإشارات التالية: مصدر طاقة MCU ، TXD ، تفاضل CAN ، مزود طاقة وحدة CAN. عندما لا يحدث أي شذوذ ، تظهر أشكال الموجة لكل نقطة في الشكل 4. يمكن ملاحظة أن MCU يتم تشغيله بواسطة 3.3 فولت ، والجهد مستقر عند حوالي 3.2 فولت ، وإمداد الطاقة لوحدة CAN مستقر عند حوالي 5.07 فولت ، ويتوافق شكل الموجة التفاضلية CAN مع إشارة TXD دون استثناء.
الشكل 4 الشكل الموجي العادي
بشكل متكرر الطاقة على اللوحة غير الطبيعية ، يظهر عدد كبير من إطارات الخطأ على ناقل CAN ، وتتكرر المشكلة. عندما يكون شكل الموجة غير طبيعي لكل نقطة في الشكل 5. يتقلب جهد إمداد الطاقة MCU والجهد الكهربي لوحدة CAN في نفس الوقت ، وتظهر بتات غير طبيعية. عندما يحدث البت غير الطبيعي ، ينخفض إمداد الطاقة لوحدة التحكم MCU إلى 3.08 فولت ، وترتفع إمداد الطاقة لوحدة CAN إلى 5.19 فولت.
الشكل 5 الشكل الموجي غير الطبيعي
راقب بعناية شكل الموجة غير الطبيعي للبت ، كما هو موضح في الشكل 6 ، وجد أنه عندما يصبح TXD مرتفعًا ، لا يتبع المستوى التفاضلي CAN التغيير ، وعندما يظهر ارتفاع صغير في الضوضاء على TXD مرة أخرى ، يصبح المستوى التفاضلي CAN متنحيًا المستوى. بالاقتران مع الموقف الذي ينخفض فيه جهد إمداد الطاقة لوحدة MCU ويزداد مصدر الطاقة لوحدة CAN بدلاً من ذلك ، تم تحديد أن المشكلة ناتجة عن تذبذب جهد مصدر الطاقة ، مما يؤدي إلى ارتفاع مستوى TXD إلى تكون غير معترف بها.
الشكل 6 الشكل الموجي غير الطبيعي للبت
2. موقع المشكلة
نظرًا للاشتباه في أنه لا يمكن التعرف على مستوى TXD ، اختبر قيمة جهد عتبة المستوى المرتفع لـ TXD لوحدة CAN. تحت الفولتية الإدخال المختلفة ، تظهر بيانات الاختبار في الجدول 3.
الجدول 3 منتج غير طبيعي TXD عالي المستوى عتبة الجهد
يمكن أن نرى من بيانات الاختبار أنه في ظل درجات حرارة محيطة مختلفة ، لا يتغير جهد عتبة TXD عالي المستوى كثيرًا. عندما يتم تشغيله بواسطة 4.75 فولت ، يكون الحد الأدنى حوالي 2.91 فولت ؛ عند تشغيله بواسطة 5 فولت ، يكون الحد الأدنى حوالي 3.06 فولت ؛ عند تشغيله بواسطة 5.25 فولت ، يكون الحد الأدنى حوالي 3.2 فولت.
كما هو مبين في الشكل 5 ، عند حدوث البت غير الطبيعي ، يكون مصدر الطاقة لوحدة CAN 5.19 فولت. في هذا الوقت ، يجب أن يكون عتبة المستوى المرتفع TXD حوالي 3.17 فولت ، في حين أن مصدر الطاقة لوحدة MCU هو 3.08 فولت فقط ، ولا يمكن أن يصل جهد خرج الإدخال / الإخراج إلى 3.17 فولت ، لذلك لا يمكن تحديد مستوى عالٍ. عندما يكون لدى TXD ارتفاع في الضوضاء ، اجعل TXD أعلى من 3.17 فولت لفترة قصيرة ، وقم بتشغيل التبديل الداخلي لوحدة CAN ، وتغيير إشارة ناقل الحركة التفاضلية.
تم التحقق من التكهنات المذكورة أعلاه هنا ، وتقرر أن سبب الفشل هو: عند تشغيل الطاقة في درجة حرارة عالية ، يتقلب جهد إمداد الطاقة لوحدة MCU و CAN ، ولا يمكن لدبوس TXD لوحدة CAN التعرف على الإشارة عالية المستوى التي تم إنشاؤها بواسطة MCU ، مما يؤدي إلى استمرار حدوث إطارات الخطأ ، مما يؤدي إلى انقطاع اتصال CAN.
3. الحلول
بعد استبدال وحدة العزل بمطابقة المستوى (الاستبدال من وحدة عزل 5 فولت إلى وحدة عزل 3.3 فولت) ، يظهر جهد عتبة المستوى العالي TXD وسعة مستوى اتصال ناقل CAN في الشكل 7 أدناه ، وقد عادوا إلى السعات العادية. التواصل أمر طبيعي.
الشكل 7 عتبة المستوى العالي لـ TXD ومستوى ناقل CAN بعد استبدال الوحدة