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    在总线通信中,总线设备中的MCU需要连接一个总线收发器接入到总线网络中,如果MCU的供电电压与收发器电压不匹配时,会出现什么情况?本文将以CAN总线为例从接口电平的角度为你解析电平匹配的重要性。

      CMOS电平

    现大部分数字集成电路采用的是CMOS工艺,其接口的电平大致符合如下定义:

    VIL<0.3Vcc;VIH>0.7Vcc;

    VOL<0.1Vcc;VOH>0.9Vcc。

    以常见的5V、3.3V系统为例,相应的接口参数如表1。

    表1 不同供电下的电平要求

    注:表中数据仅为计算参考值,器件实际参数需参考相应的数据手册。

      电平不匹配

    为了确保两个器件的信号可靠传输,必须保证:

    • 驱动器输出的VOH(MIN)必须高于接收器输入的VIH(MIN)

    • 驱动器输出的VOL(MAX)必须低于接收器输入的VIL(MAX)

    • 驱动器输出的输出电压不得超过接收器输入的I/O电压容差。

    当两个CMOS器件连接在一起时,若供电电压一致,信号传输不存在问题。若两个器件供电电压不一致,则会存在电平不匹配问题。

    以3.3V器件与5V器件连接为例,会出现以下两个问题:

    • 5V器件输入引脚可能无法识别3.3V器件输出的高电平

    如图1,3.3V器件输出VOH最大值3.3V也无法达到5V器件VIH的最小值3.5V,无法保证3.3V器件输出的高电平被正确识别。由于器件设计有一定余量,在测试时可能仍可正常工作,但存在风险,如出现器件电压波动时,就会出现问题。

     

    图1 3.3V器件输出,5V信号输入

    • 5V器件输出高电平可能损坏3.3V器件输入接口。

    如图2,5V器件输出高电平信号远高于3.3V,若3.3V器件输入引脚不支持5V电平输入,则工作时会有电流灌入3.3V器件,严重会造成器件损坏。

     

    图2 5V信号输出,3.3V信号输入

      隔离收发器选型

    以CTM1051(A)M系列产品为例,其内部采用的CMOS技术的芯片,引脚电平如图3,符合CMOS电平标准。在选型时,应该针对不同的MCU选择相应型号,才能杜绝因电平不匹配产生问题,若MCU为5V供电,应选择CTM1051M;若MCU为3.3V供电,则选择CTM1051AM。

     

    图3 CTM1051(A)M引脚电平

      实际案例

    客户使用于我司一款隔离CAN收发器模块,已经大批量出货,但应用中出现个别异常现象。异常产品表现为CAN总线间歇性通讯故障。当产品处于高温环境时(如65℃),对其进行重复上电,可复现通讯故障现象。

    1、复现异常

    将异常品置于65℃的烤箱中,并对以下信号进行测试:MCU供电、TXD、CAN差分、CAN模块供电。未出现异常时,各点波形如图4。可以看到,MCU是3.3V供电,电压稳定在3.2V左右,CAN模块供电稳定在5.07V左右,CAN差分波形与TXD信号对应无异常。

     

    图4 正常时波形

    对异常板卡进行重复上电,CAN总线出现大量错误帧,问题复现。异常时,各点波形如图5,MCU供电电压、CAN模块供电电压同时出现波动,并出现异常位。异常位出现时,MCU供电下降到3.08V,CAN模块供电上升至5.19V。

     

    图5 异常时波形

    仔细观察异常位波形,如图6,发现TXD变为高电平时,CAN差分电平并未跟随变化,而当TXD再次出现一个小的噪声尖峰时,CAN差分电平才变为隐性电平。结合此时MCU供电电压下降,CAN模块供电反而上升的情况,初步确定问题是因供电电压波动,造成TXD高电平无法识别导致。

     

    图6 异常位波形

    2、问题定位

    因怀疑TXD电平无法识别,对CAN模块的TXD高电平阀值电压值进行测试。不同输入电压下,测试数据如表3。

    表3 异常品TXD高电平阀值电压

    从测试数据看出,在不同的环境温度下,TXD高电平阀值电压变化均不大。4.75V供电时,阀值约2.91V;5V供电时,阀值约3.06V;5.25V供电时,阀值约3.2V。

    如图5,异常位出现时,CAN模块的供电为5.19V,此时TXD高电平阀值应该约为3.17V,而MCU的供电仅为3.08V,IO输出电压无法达到3.17V,故无法识别高电平。当TXD出现噪声尖峰时,使TXD短时间高于3.17V,触发CAN模块内部切换,总线差分信号发生变化。

    此处验证了上文的猜测,确定故障发生原因为:高温上电时,MCU、CAN模块供电电压出现波动,CAN模块的TXD引脚无法识别MCU发生的高电平信号,导致错误帧持续出现,造成CAN通信中断。

    3、解决方案

    更换为电平匹配的隔离模块后(由5V隔离模块更换成3.3V隔离模块),TXD高电平阀值电压及CAN总线通讯电平幅值如下图7所示,均已恢复正常幅值,通讯无异常。

     

    图7 更换模块后的TXD高电平阀值以及CAN总线电平

    ‧  END  

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  • 电平转换与总线收发器详细介绍

    千次阅读 2019-04-25 22:17:39
    245是比较常见的总线收发器,具有转换速度快、驱动能力强且价格便宜等优点,广泛应用于各个设计中。 首先,有几个概念需要搞清楚: 1) 输入高电平(Vih):保证逻辑门的输入为高电平时所允许的最小输入高电平,当...

    一,74HC245与74HCT245

    245是比较常见的总线收发器,具有转换速度快、驱动能力强且价格便宜等优点,广泛应用于各个设计中。

    首先,有几个概念需要搞清楚:

    1)       输入高电平(Vih):保证逻辑门的输入为高电平时所允许的最小输入高电平,当输入电平高于Vih时,则认为输入电平为高电平。

    2)       输入低电平(Vil):保证逻辑门的输入为低电平时所允许的最大输入低电平,当输入电平低于Vil时,则认为输入电平为低电平。

    3)       输出高电平(Voh):保证逻辑门的输出为高电平时的输出电平的最小值,逻辑门的输出为高电平时的电平值都必须大于此Voh。

    4)       输出低电平(Vol):保证逻辑门的输出为低电平时的输出电平的最大值,逻辑门的输出为低电平时的电平值都必须小于此Vol。

    5)       阀值电平(Vt):数字电路芯片都存在一个阈值电平,就是电路刚刚勉强能翻转动作时的电平。它是一个界于Vil、Vih之间的电压值,对于CMOS电路的阈值电平,基本上是二分之一的电源电压值,但要保证稳定的输出,则必须要求输入高电平>Vih>Vt,输入低电平<Vil<Vt。

    6)       Ioh:逻辑门输出为高电平时的负载电流(为拉电流)。

    7)       Iol:逻辑门输出为低电平时的负载电流(为灌电流)。

    8)       Iih:逻辑门输入为高电平时的电流(为灌电流)。

    9)       Iil:逻辑门输入为低电平时的电流(为拉电流)。

    其次,是搞清楚进行逻辑和电平转换的理论基础:

    1)       驱动器的VOH必须高于接收器的VIH。

    2)       驱动器的VOL必须低于接收器的VIL。

    3)       驱动器的输出电压不得超过接收器的I/O电压容差。

    在平时应用中,经常碰到FPGA或者MCU的IO输出需要使用245来做缓冲,也是利用245的强驱动来弥补FPGA或者MCU驱动力的不足。FPGA或MCU比较常用的输出是2.5VCMOS 3.3CMOS、3.3VTTL等。对于245而言,如果要求输出是3.3V,则比较容易处理,而如果要求输出是5V,需要注意。

    对于HC245,典型的CMOS器件,供电电压2~6V,VIH和VIL随着供电电压的不同而不同,一般分别为0.7VCC、0.3VCC左右。典型的器件参数如下图:

     

    需要245输出高电平为5V,则供电电压VCC应该是5V,此时VIH的最小值和VIL的最大值分别约为3.5V和1.5V。

    下图是Cyclone III的IO口电平表:

     

    从表中可以读出,3.3V TTL、3.3VCMOS、3VTTL、3VCMOS、2.5VTTL、2.5VCMOS的VOH的最小值分别为2.4、3.1、2.4、2.8、2、2。这些值都小于HC245的VIL值3.5V。如果此时选用HC245作为收发器,显然不合适。在很多时候我们发现的确有人这样用了,而且数据收发似乎也正常,这是为什么呢?原来这里还有一个电平叫做Vt,一般情况下,输入的电平在大于Vt后可以被识别为高电平,而低于Vt的可以被识别为低电平,但这个是电路刚刚勉强能翻转动作时的电平,在环境发生一些变化(如低温、电磁干扰)时很可能就会出现错误。5VCMOS的Vt约为2.5V,对于大多数3.3V、3V、甚至2.5V的器件,在驱动电流不是很大的情况下,输出一般都很接近VCC,所以电平就可以被正确识别。这种设计对于系统的稳定性是非常不利的,应该尽量避免。

           HC245的输入可以兼容TTL电平,其供电电压为4.5V~5.5V,VIH和VIL符合5VTTL的标准,分为为2V和0.8V。典型器件的参数如下表:

    里我们我们就可以发现,选用HCT245作为Cyclone III的3.3V TTL、3.3VCMOS、3VTTL、3VCMOS、2.5VTTL、2.5VCMOS输出的缓冲是可以的。

     

    二,双供电收发器

       对于245这类的收发器,输入、输出是单独供电,在需要双向的传输中就不合适。还是前面的FPAG例子,FPGA的IO输入和输出都是3.3V,而且FPGA的IO最大能承受的输入电压是3.6V,如果此时用HC245/HCT245作为缓冲对FPGA输入信号很可能就会损坏FPGA的IO。这种场合下具有双向供电的收发器或者电平转换器就是较好的选择。

    2.1具有方向控制类

       74LVC8T245是TI近几年推出的一款有8通道的双向双供电收发器。基本的一些参数如下:

    每个管脚灌入、拉出电流可以高达24mA,一般应用已经足够。可以通过控制方向的DIR管脚来确定是输入还是输出。这些器件需要注意的是控制管脚(DIR、OE)的参考电平。比如上面的74LVC8T245的控制脚参考电平是VCCA,那么就需要搞清楚控制信号的电平是否满座A端的电平要气。

       这种具有方向控制的器件也不是万能的,有些场合就不合适使用。比如有以下IO有时候需要作为输入,有时候又作为输出,一直在变化,此时就需要选用“无方向控制”的双供电器件。

    2.2无方向控制类

       无方向控制类的器件一般不具有驱动能力,仅作为电平转换使用,每个通道可以作为单独的输入或输出,不受其他通道影响。一般有2种结构,自动感应方向结构和FET结构。

       自动感应方向结构的器件,典型的如TI的TXB0108。其基本结构和典型应用如下图:

     

     

    AB两端首先侦测确定哪端是输入信号,接着侦测上升沿和下降沿,如果是上升沿则开启T1和T3,下降沿就开启T2和T4。

       这种器件在应用时需要留意以下几点:

    1)       驱动TXB0108的器件的IO的最小驱动电流要达到±2mA。

    2)       VCCA的电平始终要低于VCCB,当然,如果VCCA高于VCCB,不会损坏器件,只是逻辑上可能会出现错误,也无需要考虑上电的顺序。

    3)       如果输入或输出的IO需要外接上拉或者下拉电阻,则阻值至少要大于50Kohm,这样才不会与启动器脚弱的输出相冲突。

    4)       这种器件不可以与IIC之类的OD门电路直接相连。

    另外一种FET结构的器件,典型的有TXS0108E,其应用电路与TXB0108一样,其内部结构如下图:

     

    其内部集成上拉、下拉电阻,可以应用于OD门电路中,但收发的速度要慢许多。以下是TXB0108和TXS0108E的两个速度对比:

    (1)TXB0108B

     

    (2)TXS0108E

     

    这类器件在使用时也需要注意下面2点:

    1, VCCA的电平始终要低于VCCB,当然,如果VCCA高于VCCB,不会损坏器件,只是逻辑上可能会出现错误,也无需要考虑上电的顺序。

    2,内部的2个电阻Rpub和Rpua,在作为下拉电阻时约为40Kohm,而作为上拉电阻时约为4Kohm,如果是OD门,那么要估算驱动电流是否满足系统的要求。

    展开全文
  • TJA1050 高速CAN总线收发器.PDF
  • SI9241低成本解决方案DP9241/K总线收发器 DP9241 是一款应用于汽车诊断系统中的单片总线收发器,为汽车诊断系统提供双向串行通信。该收发器既能工作在发射模式,也能工作在接收模式,并且它具有过温、短路检测功能。...

    SI9241低成本解决方案DP9241/K总线收发器
    DP9241 是一款应用于汽车诊断系统中的单片总线收发器,为汽车诊断系统提供双向串行通信。该收发器既能工作在发射模式,也能工作在接收模式,并且它具有过温、短路检测功能。
    芯片采用了 8-pin SO 封装。能可靠安全的工作在车载温度范围-40 度~125度。此外输出端 RX 可以驱动CMOS 或者 1´LSTTL 负载。

    功能描述既能工作在发射模式,也能工作在接收模式,并且它具有过温、短路检测功能。当芯片供电后,K 端电压会与内部的 VBAT/2 进行比较,如果 K 端电压小于 VBAT/2,那么 RX 端电压被拉到低电平。如果 K 端电压大于 VBAT/2,那么 RX 端电压被拉到高电平。当收发器处于发射模式时,信号 CS 必须设置为低电平。当信号 CS 和 TX 被设置为低电平时,内部的MOSFET 将会打开,将 K 端电压拉到低电平。当 CS 设置为高电平时, DP9241 处于接收模式,内部的 MOSFET 被关断,K 为高电平,RX 也为高电平。当处于过温或者 K 线短路到VBAT 情况下,为了保护器件安全, DP9241会关断输出 K,并且 FAULT 端会给出报警信号。如果想让 FAULT 端的报警信号复位,可以给CS 一个高脉冲。RX,CS 及 TX 端都有一个接到 VDD的内部上拉电阻,K 端有一个内部下拉电阻,值得注意的是,TX,VBAT或者 GND,其中任何一个开路,K 输出都是关断的.
    应用:
    汽车电子诊断通信

    主要特性
    1.电压工作范围 6V≤VBAT≤36V
    2.具有超低休眠电IBAT(SB)=0.18μA @VDD=0.5V
    3.关断状态下,具有很小的静态电流IBAT=110μA @ IDD≦3μA
    4.能兼容 ISO9141
    5.具有过温预警功能,
    6.具有 K 总线短路预警功能
    7.典型传输速度为 200 kbaud

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    Gamma公式展示 Γ(n)=(n1)!nN\Gamma(n) = (n-1)!\quad\forall n\in\mathbb N 是通过欧拉积分

    Γ(z)=0tz1etdt. \Gamma(z) = \int_0^\infty t^{z-1}e^{-t}dt\,.

    你可以找到更多关于的信息 LaTeX 数学表达式here.

    新的甘特图功能,丰富你的文章

    Mon 06Mon 13Mon 20已完成 进行中 计划一 计划二 现有任务Adding GANTT diagram functionality to mermaid
    • 关于 甘特图 语法,参考 这儿,

    UML 图表

    可以使用UML图表进行渲染。 Mermaid. 例如下面产生的一个序列图:

    张三李四王五你好!李四, 最近怎么样?你最近怎么样,王五?我很好,谢谢!我很好,谢谢!李四想了很长时间, 文字太长了不适合放在一行.打量着王五...很好... 王五, 你怎么样?张三李四王五

    这将产生一个流程图。:

    链接
    长方形
    圆角长方形
    菱形
    • 关于 Mermaid 语法,参考 这儿,

    FLowchart流程图

    我们依旧会支持flowchart的流程图:

    Created with Raphaël 2.2.0开始我的操作确认?结束yesno
    • 关于 Flowchart流程图 语法,参考 这儿.

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    245是比较常见的总线收发器,具有转换速度快、驱动能力强且价格便宜等优点,广泛应用于各个设计中。 首先,有几个概念需要搞清楚: 1) 输入高电平(Vih):保证逻辑门的输入为高电平时所允许的最小输入高电平,当...

    一,74HC245与74HCT245

    245是比较常见的总线收发器,具有转换速度快、驱动能力强且价格便宜等优点,广泛应用于各个设计中。

    首先,有几个概念需要搞清楚:

    1)       输入高电平(Vih):保证逻辑门的输入为高电平时所允许的最小输入高电平,当输入电平高于Vih时,则认为输入电平为高电平。

    2)       输入低电平(Vil):保证逻辑门的输入为低电平时所允许的最大输入低电平,当输入电平低于Vil时,则认为输入电平为低电平。

    3)       输出高电平(Voh):保证逻辑门的输出为高电平时的输出电平的最小值,逻辑门的输出为高电平时的电平值都必须大于此Voh。

    4)       输出低电平(Vol):保证逻辑门的输出为低电平时的输出电平的最大值,逻辑门的输出为低电平时的电平值都必须小于此Vol。

    5)       阀值电平(Vt):数字电路芯片都存在一个阈值电平,就是电路刚刚勉强能翻转动作时的电平。它是一个界于Vil、Vih之间的电压值,对于CMOS电路的阈值电平,基本上是二分之一的电源电压值,但要保证稳定的输出,则必须要求输入高电平>Vih>Vt,输入低电平<Vil<Vt。

    6)       Ioh:逻辑门输出为高电平时的负载电流(为拉电流)。

    7)       Iol:逻辑门输出为低电平时的负载电流(为灌电流)。

    8)       Iih:逻辑门输入为高电平时的电流(为灌电流)。

    9)       Iil:逻辑门输入为低电平时的电流(为拉电流)。

    其次,是搞清楚进行逻辑和电平转换的理论基础:

    1)       驱动器的VOH必须高于接收器的VIH。

    2)       驱动器的VOL必须低于接收器的VIL。

    3)       驱动器的输出电压不得超过接收器的I/O电压容差。

    在平时应用中,经常碰到FPGA或者MCU的IO输出需要使用245来做缓冲,也是利用245的强驱动来弥补FPGA或者MCU驱动力的不足。FPGA或MCU比较常用的输出是2.5VCMOS 3.3CMOS、3.3VTTL等。对于245而言,如果要求输出是3.3V,则比较容易处理,而如果要求输出是5V,需要注意。

    对于HC245,典型的CMOS器件,供电电压2~6V,VIH和VIL随着供电电压的不同而不同,一般分别为0.7VCC、0.3VCC左右。典型的器件参数如下图:


    需要245输出高电平为5V,则供电电压VCC应该是5V,此时VIH的最小值和VIL的最大值分别约为3.5V和1.5V。

    下图是Cyclone III的IO口电平表:


    从表中可以读出,3.3V TTL、3.3VCMOS、3VTTL、3VCMOS、2.5VTTL、2.5VCMOS的VOH的最小值分别为2.4、3.1、2.4、2.8、2、2。这些值都小于HC245的VIL值3.5V。如果此时选用HC245作为收发器,显然不合适。在很多时候我们发现的确有人这样用了,而且数据收发似乎也正常,这是为什么呢?原来这里还有一个电平叫做Vt,一般情况下,输入的电平在大于Vt后可以被识别为高电平,而低于Vt的可以被识别为低电平,但这个是电路刚刚勉强能翻转动作时的电平,在环境发生一些变化(如低温、电磁干扰)时很可能就会出现错误。5VCMOS的Vt约为2.5V,对于大多数3.3V、3V、甚至2.5V的器件,在驱动电流不是很大的情况下,输出一般都很接近VCC,所以电平就可以被正确识别。这种设计对于系统的稳定性是非常不利的,应该尽量避免。

           HC245的输入可以兼容TTL电平,其供电电压为4.5V~5.5V,VIH和VIL符合5VTTL的标准,分为为2V和0.8V。典型器件的参数如下表:


    里我们我们就可以发现,选用HCT245作为Cyclone III3.3V TTL3.3VCMOS3VTTL3VCMOS2.5VTTL2.5VCMOS输出的缓冲是可以的。

    二,双供电收发器

       对于245这类的收发器,输入、输出是单独供电,在需要双向的传输中就不合适。还是前面的FPAG例子,FPGA的IO输入和输出都是3.3V,而且FPGA的IO最大能承受的输入电压是3.6V,如果此时用HC245/HCT245作为缓冲对FPGA输入信号很可能就会损坏FPGA的IO。这种场合下具有双向供电的收发器或者电平转换器就是较好的选择。

    2.1具有方向控制类

       74LVC8T245是TI近几年推出的一款有8通道的双向双供电收发器。基本的一些参数如下:


    每个管脚灌入、拉出电流可以高达24mA,一般应用已经足够。可以通过控制方向的DIR管脚来确定是输入还是输出。这些器件需要注意的是控制管脚(DIR、OE)的参考电平。比如上面的74LVC8T245的控制脚参考电平是VCCA,那么就需要搞清楚控制信号的电平是否满座A端的电平要气。

       这种具有方向控制的器件也不是万能的,有些场合就不合适使用。比如有以下IO有时候需要作为输入,有时候又作为输出,一直在变化,此时就需要选用“无方向控制”的双供电器件。

    2.2无方向控制类

       无方向控制类的器件一般不具有驱动能力,仅作为电平转换使用,每个通道可以作为单独的输入或输出,不受其他通道影响。一般有2种结构,自动感应方向结构和FET结构。

       自动感应方向结构的器件,典型的如TI的TXB0108。其基本结构和典型应用如下图:




    AB两端首先侦测确定哪端是输入信号,接着侦测上升沿和下降沿,如果是上升沿则开启T1和T3,下降沿就开启T2和T4。

       这种器件在应用时需要留意以下几点:

    1)       驱动TXB0108的器件的IO的最小驱动电流要达到±2mA。

    2)       VCCA的电平始终要低于VCCB,当然,如果VCCA高于VCCB,不会损坏器件,只是逻辑上可能会出现错误,也无需要考虑上电的顺序。

    3)       如果输入或输出的IO需要外接上拉或者下拉电阻,则阻值至少要大于50Kohm,这样才不会与启动器脚弱的输出相冲突。

    4)       这种器件不可以与IIC之类的OD门电路直接相连。

    另外一种FET结构的器件,典型的有TXS0108E,其应用电路与TXB0108一样,其内部结构如下图:


    其内部集成上拉、下拉电阻,可以应用于OD门电路中,但收发的速度要慢许多。以下是TXB0108和TXS0108E的两个速度对比:

    (1)TXB0108B



    (2)TXS0108E


    这类器件在使用时也需要注意下面2点:

    1, VCCA的电平始终要低于VCCB,当然,如果VCCA高于VCCB,不会损坏器件,只是逻辑上可能会出现错误,也无需要考虑上电的顺序。

    2,内部的2个电阻Rpub和Rpua,在作为下拉电阻时约为40Kohm,而作为上拉电阻时约为4Kohm,如果是OD门,那么要估算驱动电流是否满足系统的要求。




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