TJA1145 CAN总线收发器详解：工作原理与应用指南
TJA1145 CAN总线收发器详解：工作原理与应用指南
TJA1145是NXP公司推出的一款高性能CAN收发器，广泛应用于汽车电子和工业控制领域。本文将详细介绍TJA1145的工作原理、休眠唤醒机制以及在CAN总线系统中的应用，帮助读者深入了解这款收发器的特性和使用方法。
汽车ECU休眠唤醒概念：三种场景
在汽车电子控制系统中，ECU（电子控制单元）的休眠唤醒机制对于降低功耗和提高系统可靠性至关重要。以下是三种常见的休眠唤醒场景：
- 冷启动式休眠唤醒：
- MCU处于掉电状态；
- CAN收发器处于供电状态（汽车电瓶供电）；
- 唤醒事件能够被CAN收发器识别；
- CAN收发器能够根据唤醒源决定是否唤醒MCU，给MCU供电；
- CAN休眠唤醒：
- MCU始终处于正常供电状态；
- CAN收发器处于供电状态；
- CAN收发器处于Standby状态；
- 唤醒事件能够被CAN收发器识别；
- CAN收发器识别到有效唤醒源后能够产生一个中断唤醒MCU或者MCU周期性地去检查是否存在有效唤醒源；
- CAN与MCU休眠唤醒：
- MCU处于低功耗状态；
- CAN收发器处于供电状态；
- CAN收发器处于Standby状态；
- 唤醒事件能够被CAN收发器识别；
- CAN收发器识别到有效唤醒源后能够产生一个中断唤醒MCU。
CAN干扰问题
在CAN总线系统中，抗干扰能力是确保通信可靠性的关键因素。TJA1145的抗共模干扰能力通常在-12V至7V之间，超过这个范围可能会导致通信错误。如果共模差超过±36V，可能会烧毁收发器或损坏电路板。为了增强系统的抗干扰能力，可以增加隔离模块，通过隔绝地回流来限制干扰幅度。
在实际应用中，由于CAN总线通常需要传输较长的距离，因此建议采用屏蔽层单点接地的原则。具体来说，应在网络中心附近选择一个干扰最小的点进行屏蔽层接地，以优化系统的电磁兼容性。
CAN收发器TJA1145介绍
TJA1145特点
TJA1145具有以下显著特点：
- 在Standby与Sleep状态下能保持极低功耗，其中Sleep状态下功耗比Standby状态下更低；
- 可通过选择性唤醒功能支持高速CAN网络；
- TJA1145提供接口与3.3V或5V微控制器相连，通过SPI可用来控制CAN收发器以及状态获取；
- Wake pin的上升沿或下降沿唤醒功能可通过寄存器配置，不使用时应接地。
TJA1145内部供电细节
TJA1145的内部供电机制如下：
- BAT：该电源用于给TJA1145系统状态维护进行供电，只要BAT一直有电，那么TJA1145相关状态寄存器值就不会丢失，且CAN接收器由BAT供电；
- VCC：该电源一方面作为5V电源输入给到TJA1145系统模块进行监控是否过压或欠压，另一方面则给到CAN总线供电，且CAN发送器由VCC供电；
- VIO：该电源一方面作为电源输入到TJA1145系统模块进行监控是否过压或欠压，另一方面则作为SPI通信的电平转换。
TJA1145唤醒方式
TJA1145的唤醒过程包括以下几个步骤：
- MCU满足休眠条件时，通过发送SPI相应指令让TJA1145进入Sleep状态；
- TJA1145进入Sleep状态后，INH引脚就会拉低，控制5V或3V关闭电源输出，间接导致MCU整个系统掉电，此时TJA1145始终处于供电状态（由于BAT始终有电），整个ECU成功进入休眠状态；
- TJA1145虽然处于Sleep状态，但会持续检测网络是否存在有效唤醒源；
- 当TJA1145发现有效唤醒源后，就会自动从Sleep状态切换成Standby状态，在Standby状态下INH引脚拉高，此时5V与3V便会正常输出，从而MCU被正常供电，程序开启正常运行。
TJA1145的控制过程
TJA1145 Mode的控制
TJA1145的控制过程主要分为TJA1145 Mode的控制和内部CAN Mode两种类型。TJA1145内部存在一个系统控制器，包含以下五种运行状态机：
- Normal：该模式下TJA1145处于全功能模式，所有功能均可用，可通过MC=111从Standby或Sleep状态切换至Normal状态；
- Standby：该模式下TJA1145处于低功耗状态，不能正常收发数据，但INH引脚可以始终保持拉高状态。如果此时寄存器CWE=1，那么会持续监控总线电平状态。如果寄存器CPNC=PNCOK=1，那么就开启了特定帧唤醒，否则就是标准CAN唤醒；
- Sleep：该模式下TJA1145处于最低功耗状态，不能正常收发数据，同时INH引脚处于高阻状态，电源供电一般会通过该引脚进行拉低关闭输出。其状态变化存在以下几种可能：
- 一个有效唤醒源或中断事件（除去SPI故障事件）或SPI指令（SPI通讯速率不能过高）可以唤醒TJA1145从Sleep状态切换至Standby状态；
- 在Normal或Standby状态下通过发送MC=001便可以进入到Sleep状态，确保至少存在一个唤醒源使能（如CAN唤醒或Wake pin唤醒）且没有pending状态下的唤醒源；
- 如果VCC或VIO持续一段时间低于某个阈值，那么该低电压事件将会强制让TJA1145进入Sleep状态，与此同时所有的Pending的唤醒源将会被清除，同时特定帧唤醒功能将会被关闭；
- Overtemp：该状态是由于TJA1145防止温度过高导致被损坏的一个功能，一旦在Normal状态下温度超出一定阈值就会自动切换至OverTemp保护状态；
- 在该模式下，CAN收发器将不能正常工作，pin脚始终处于高阻状态，唤醒源将不会被检测，但如果存在Pending的唤醒源，那么RXD引脚就会被拉低；
- 当温度低于特定阈值时，该状态便会自动切换至Standby状态；
- 如果Bat电压引脚低于某个特定阈值，则会自动从该状态切换至OFF状态；
- Off：在该状态下电压由于低于特定阈值导致供电不足，当Bat首次连接时这是TJA1145的初始状态，只要Bat电压低于某特定阈值，TJA1145将会从任意状态直接切换至Off状态。在Off状态下，CAN pin脚以及INH引脚始终处于高阻状态；
- 当电压高于某个特定阈值时，TJA1145便会重新启动触发初始化过程，从而经历特定时间后进入Standby状态；
- Standby状态下INH引脚可以拉高控制MCU各级电源，CAN无法正常收发通信；
- Normal状态下SPI可正常通信，INH引脚可以拉高，CAN模块的状态取决于CMC寄存器值，仅在Active状态下才能够开启正常通信，且仅在CMC寄存器=01/10/11下才能够正常工作；
- Sleep状态下INH引脚处于高阻状态，此时MCU各级电源可关闭，CAN始终处于Offline状态，无法正常收发通信；
- 在Off状态与Overtemp状态下SPI都无法正常通信，在Sleep状态仅在VIO供电正常的情况下才可以通信，且通信速率不能太高；
- 仅在Standby与Sleep状态下才检测唤醒事件，即仅在CAN处于Offline模式下才能够开启唤醒事件的检测。
内部CAN Mode两种类型
TJA1145内部集成的CAN收发器存在四种状态：Active、Listen-Only、Offline、Offline Bias状态。存在以下两种基本组合：
- 当TJA1145处于Normal状态时，CAN收发器状态取决于CMC寄存器值，如进入Offline或Active或Listen-only等；
- 当TJA1145处于Standby或Sleep状态，则CAN收发器始终处于Offline状态。
CAN Active Mode：
- CAN收发器在此模式下能够正常发送或接收数据；
- 当CMC=0x01时，CAN收发器处于Active状态，VCC低压检测使能，如果出现VCC电压异常，就会直接切换到CAN Offline或Offline Bias状态；
- 当CMC=0x10时，CAN收发器处于Active状态，且VCC电压检测被抑制，如果出现VCC电压异常，不会影响到CAN Active正常切换（实际应用过程中优先统一配置成CMC=0x10，以降低状态不断反复切换）。
CAN Listen-only Mode：
- 该模式下CAN发送器被关闭，当TJA1145处于Normal状态且CMC=0x11时，CAN收发器状态就会处于Listen-only状态；
- 在该模式下如果TJA1145处于Normal状态且CMC=0x1，同时VCC电压低于90%，那么就会始终在这个Listen-Only状态。
CAN Offline与Offline Bias Mode：
- 在CAN Offline模式下CAN收发器便会检测CAN总线以查看是否存在唤醒事件，同时CWE=1，CAN H与CAN L始终偏置接地；
- 在CAN Offline Bias模式下也会检测CAN总线是否存在唤醒事件，只不过CAN H与CAN L会偏置2.5V，当超过一段时间总线没有活动，便会回归至CAN Offline模式下；
- 当TJA1145切换至Standby或Sleep状态则会直接切换成此状态；
- 当TJA1145状态为Normal且CMC=0x0，则会将状态切换成CAN Offline模式；
- 当TJA1145状态为Normal且CMC=01同时VCC<90%，则也会将状态切换成CAN Offline模式。
CAN Off Mode：
- 当TJA1145状态为Off状态或Overtemp状态时；
- 当Bat电压低于CAN接收器某个特定阈值电压时，当BAT电压回升至某个特定阈值时，便会进入CAN Offline模式下。
CAN总线波特率以及位同步
要理解CAN总线的通信机制，首先需要了解两个关键时钟概念：晶振时钟周期和CAN时钟周期。
晶振时钟周期：是由单片机振荡器的晶振频率决定的，指的是振荡器每振荡一次所消耗的时间长度，也是整个系统中最小的时间单位。
CAN时钟周期：CAN时钟是由系统时钟分频而来的时间长度值，实际上就是一个时间份额Tq（Time Quantum）。
CAN每一位数据位宽都由CAN控制器的N个时钟周期组成，该时钟周期则为最小的时间单位Tq。这N个Tq被分为四段：同步段（SS）、传播时间段（PTS）、相位缓冲段1（PBS1）、相位缓冲段2（PBS2），而采样点位置处于PBS1和PBS2的交界处。
同步段（SS：Synchronization Segment）：CAN网络中的所有节点，在接收一位数据时，以此段作为位起始的参考点，进行下降沿的检测，统计下降沿基于SS段的偏移，然后进行位时序的调整，使接收趋于同步（下降沿在理想情况下应出现在SS段）。注意，进行位时序调整的条件是检测到下降沿，若无下降沿则不进行调整。
传播时间段（PTS：Propagation Time Segment）：CAN总线上数据的传输会受到物理延迟，比如发送单元的发送延迟、总线上信号的传播延迟、接收单元的输入延迟等，PTS段就是用来补偿这些因素产生的时间延迟。而PTS段长度至少应为这些因素产生的时间延时的2倍，PTS段长度至少为1个Tq。
相位缓冲段1（PBS1：Phase Buffer Segment 1）：若下降沿延后N个Tq，且延迟不大于同步跳转宽度，使得原本位时序中采样点位置提前N个Tq，则需要对PBS1段增加N个Tq数（使采样点位置延后N个Tq），吸收这段误差。PBS1段长度至少为1个Tq。
相位缓冲段2（PBS2：Phase Buffer Segment 2）：若跳变边沿提前N个Tq，且不大于同步跳转宽度，使得原本位时序中采样点位置延后N个Tq，则需要对上一个位时序的PBS2段减少N个Tq数（使采样点位置提前N个Tq），吸收这段误差。PBS2段长度至少为2个Tq。
同步跳跃宽度（SJW：Resynchronization Jump Width）：SJW为PBS1增加或PBS2减少的最大Tq数。只能为1~4个Tq。
CAN同步的策略：CAN同步是以位为单位，每接收一个下降沿，则进行一次同步。发送单元以约定好的位时序进行数据发送。接收单元根据总线上接收到的下降沿进行位时序同步。
发送节点和接收节点作为互相独立的硬件个体，时钟频率误差、传输路径上的（电缆、驱动器等）相位延迟等都会引起时序偏差。因此接收单元需通过硬同步或重同步的方法进行位时序调整。
硬同步接收单元在总线空闲状态检测出第一个下降沿时（对应报文的SOF下降沿）进行的同步调整。在检测到SOF的下降沿时，直接将此下降沿的位置认为是SS段，然后按照位时序对信号进行采样，达到同步的效果。
重同步只是在总线空闲时检测出下降沿（帧起始）时进行。在接收过程中检测出总线上的下降沿来临时，根据SJW设置值通过加长PBS1段，或缩短PBS2段，以调整同步。但如果发生了超出SJW值的误差时，最大调整量不能超过SJW值。
同步前下降沿延后2个Tq
同步后PBS1增加2个Tq