ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA APLIKOVANÉ ELEKTRONIKY A TELEKOMUNIKACÍ DIPLOMOVÁ PRÁCE

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA APLIKOVANÉ ELEKTRONIKY A TELEKOMUNIKACÍ

DIPLOMOVÁ PRÁCE Měřicí zařízení s rozhraním CAN

Autor: Bc. Tomáš Beck Vedoucí: Ing. Kamil Kosturik, PhD.

2013

Měřicí zařízení s rozhraním CAN

Tomáš Beck 2013


Tomáš Beck 2013


Tomáš Beck 2013

Abstrakt Tato diplomová práce je zaměřena na oživení hardwarové části měřicího zařízení, které bylo předmětem diplomové práce Ing. Jakuba Hrdličky z roku 2012 s názvem „Zařízení pro vysílání zpráv na sběrnici CAN“. S ohledem na množství závažných chyb znemožňující správnou funkci měřicí karty bylo přistoupeno ke zcela novému návrhu tohoto zařízení a vývoji testovacího firmware pro ověření jeho uvažovaných funkcionalit. Práce se věnuje popisu chyb na hardwaru Ing. J. Hrdličky, popisu nového návrhu a realizace zařízení a vývoji testovacího firmware. Výsledkem práce je nový funkční hardware s rozhraním CAN a LIN, jehož funkcí je převod 8mi kanálového digitálního vstupu na CAN a LIN zprávy s možností konfigurace parametrů těchto zpráv skrze rozhraní USB.

Klíčová slova sběrnice CAN, sběrnice LIN, USB rozhraní, terminace sběrnic, CAN High speed, CAN Low speed, měniče úrovně napětí…


Tomáš Beck 2013

Abstract The master thesis focuses on the improvement of the measure device hardware part which was the subject of the master thesis of Ing. Jakub Hrdlička from 2012 with the title “Devices for transmitting messages on the CAN bus“. Regarding the high number of errors which disable the proper function of the measuring card, a new design of this device and testing firmware development has been accepted to verify its functionalities. The thesis deals with the description of Ing. J. Hrdlička´s hardware errors, describes the new design of the device and its realization and the development of the testing firmware. The result of the thesis is a new functional hardware with the CAN and LIN interface to convert 8 channel digital input to CAN and LIN messages with the option of message parameters´ configuration through the USB interface.

Key words CAN bus, LIN bus, USB interface, bus termination, CAN High speed, CAN Low speed, Voltage Level shifters…


Tomáš Beck 2013

Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně, s použitím odborné literatury a pramenů uvedených v seznamu, který je součástí této diplomové práce. Dále prohlašuji, že veškerý software, použitý při řešení této diplomové práce, je legální.

............................................................ podpis

V Plzni dne 7.5.2013

Tomáš Beck


Tomáš Beck 2013

Poděkování Tímto

bych

rád

poděkoval

vedoucímu

diplomové

práce

Ing.

Kamilovi

Kosturikovi, Ph.D. za cenné profesionální rady, připomínky a metodické vedení práce a v neposlední řadě bych rád vyjádřil velké díky svým rodičům a blízkým za morální a finanční podporu při studiu na FEL ZČU v Plzni.


Tomáš Beck 2013

Obsah Seznam zkratek .................................................................................................................... 10 Úvod..................................................................................................................................... 11 1

2

Teoretický úvod ............................................................................................................ 12 1.1

Sběrnice CAN (Controller Area Network) ............................................................ 12

1.2

Sběrnice LIN (Local Interconnect Network) ......................................................... 16

1.3

Elektromagnetická kompatibilita ........................................................................... 18

1.3.1

Odolnost komunikačních linek proti přepětí ................................................. 18

1.3.2

Ochrana transilem (Transient Voltage Suppression diode) ........................... 19

1.3.3

Elektrostatický výboj (ElectroStatic Discharge) ............................................ 19

1.3.4

Ochrana sběrnice CAN .................................................................................. 20

1.3.5

Ochrana sběrnice LIN .................................................................................... 21

Praktická část ................................................................................................................ 22 2.1

2.1.1

Blok napájecího zdroje .................................................................................. 22

2.1.2

Blok zapojení MCU ....................................................................................... 26

2.1.3

Blok zapojení převodníků napěťových úrovní .............................................. 28

2.1.4

Blok zapojení testovacích a připojovacích obvodů ....................................... 30

2.1.5

Blok zapojení komunikačních obvodů .......................................................... 32

2.2

3

CANtron II v1.0 – oživování DPS, popis chyb v návrhu ...................................... 22

CANtron II v2.0 ..................................................................................................... 35

2.2.1

Návrh CANtron II v2.0 .................................................................................. 35

2.2.2

Osazení a oživení DPS ................................................................................... 36

2.2.3

Blokové schéma ............................................................................................. 37

2.2.4

Napájecí zdroj ................................................................................................ 37

2.2.5

Blok MCU...................................................................................................... 38

2.2.6

blok HW konfigurace MCU .......................................................................... 39

2.2.7

Blok komunikace s PC ................................................................................... 41

2.2.8

Komunikační moduly .................................................................................... 41

2.3

Specifikace, aplikační schéma CANtron II v2.0 ................................................... 44

2.4

Testovací firmware ................................................................................................ 45

Závěr ............................................................................................................................. 46

Použitá literatura .................................................................................................................. 47 8


Tomáš Beck 2013

Seznam použitých obrázků a tabulek................................................................................... 48 Přílohy.....................................................................................................................................I Příloha 1: Schéma zapojení CANtron II v2.0 ....................................................................... II 1.1.

Schéma zapojení – Top schéma.............................................................................. II

1.2.

Schéma zapojení – Napájecí zdroj......................................................................... III

1.3.

Schéma zapojení – MCU .......................................................................................IV

1.4.

Schéma zapojení – Level shifters, přepínače .......................................................... V

1.5.

Schéma zapojení – USB ........................................................................................VI

1.6.

Schéma zapojení – signalizace ............................................................................ VII

1.7.

Schéma zapojení – terminace sběrnice LIN ....................................................... VIII

1.8.

Schéma zapojení – terminace sběrnice CAN ........................................................IX

1.9.

Schéma zapojení – přepínač CAN – HS, CAN – LS.............................................. X

1.10. Schéma zapojení – komunikační modul LIN ........................................................XI 1.11. Schéma zapojení – komunikační modul CAN - High speed ............................... XII 1.12. Schéma zapojení – komunikační modul CAN - Low speed ............................... XIII 1.13. Schéma zapojení – Header konektory ................................................................ XIV 1.14. Schéma zapojení – JTAG .................................................................................... XV 1.15. Schéma zapojení – konektory ............................................................................. XVI Příloha 2: Výstupní soubory ........................................................................................... XVII 2.1.

CANtron II v2.0 – Top layer ............................................................................ XVII

2.2.

CANtron II v2.0 – Bottom layer ...................................................................... XVIII

2.3.

CANtron II v2.0 – 3D Top layer ........................................................................ XIX

2.4.

CANtron II v2.0 – 3D Bottom layer .................................................................... XX

2.5.

CANtron II v2.0 – foto ....................................................................................... XXI

Příloha 3: Seznam použitých součástek ......................................................................... XXIII

9


Tomáš Beck 2013

Seznam zkratek CAN

Controller Area Network

CMOS

Complementary Metal Oxide Semiconductor

DP

diplomová práce

DPS

deska plošných spojů

ESD

Electrostatic Discharge – elektrostatický výboj

IO

integrovaný obvod

ISP

In System Programming

GPIO

General Purpose Input / Output

GUI

Graphic User Interface

HW

Hardware

LDO

Low Dropout Voltage

LIN

Local Interconnect Network

MCU

Micro Controller Unit

SDVR

Step Down Voltage Regulator

SWD

Serial Wire Debug

TVS

Transient Voltage Suppression (diode)

USB

Universal Serial Bus

10


Tomáš Beck 2013

Úvod V automobilech

neustále

přibývají

nová

důmyslnější

elektronická

zařízení

a v důsledku toho je třeba stále vyvíjet i prostředky k jejich testování. Dnešní vozidla jsou vybavena celou řadou elektronických řídicích systémů, jejichž komplexnost využívaných funkcí implementovaných v těchto nejrůznějších aplikacích si vynutila potřebu vzájemné komunikace. Řídicí jednotky, které musí komunikovat navzájem mezi sebou, s čidly či

senzory,

jsou

propojeny

pomocí

datových

sběrnic

určených

pro

použití

v automobilovém průmyslu. Mezi tyto sběrnice patří např. CAN, LIN, MOST, FlexRay, atd. Jedním z důvodů použití těchto sběrnic je snaha snížit nároky na procesor centrální řídicí jednotky a docílit tak snížení jeho zatížení. Další důvody pak mohou být finanční či zvýšení odolnosti elektromagnetické kompatibility (EMC). Původním smyslem této diplomové práce bylo na základě zadání práce firmou MBtech Bohemia s.r.o. navrhnout a realizovat měřicí zařízení s rozhraním CAN, které by umožňovalo měnit datový balík zpráv vysílaných na sběrnici CAN, v závislosti na změně analogových a digitálních vstupních dat, jejichž zpracování by mělo být parametrizovatelné

pomocí

PC.

Na

základě

domluvy s vedoucím

této

práce,

Ing. Kamilem Kosturikem, PhD., a konzultantem práce, Ing. Václavem Aubrechtem (zástupce zadávající firmy), bylo zadání diplomové práce pozměněno ve smyslu oživení hardwaru a vývoje řídicího firmware měřicího zařízení, které bylo předmětem loňské diplomové práce Ing. Jakuba Hrdličky, jež byla zadána stejnou firmou. S ohledem na množství závažných chyb zjištěných při procesu oživování hardware Ing. J. Hrdličky znemožňující správnou funkci měřicí karty bylo přistoupeno ke zcela novému návrhu tohoto zařízení a vývoji pouze testovacího firmware pro ověření jeho uvažovaných funkcionalit. Text je rozdělen do třech částí, první se zabývá základním teoretickým fundamentem, který čtenáře uvádí do řešení práce, druhá popisuje zjištěné chyby při oživování hardwaru? Ing. J. Hrdličky a problémy s tím spojené. Třetí část popisuje nový návrh hardware, realizaci, oživení, vývoj testovacího firmware a specifikaci měřicího zařízení s rozhraním CAN a LIN.

11


Tomáš Beck 2013

1 Teoretický úvod Tato kapitola se zabývá popisem a seznámením se základními informacemi týkající se sběrnicí CAN a LIN, které by měly čtenáře uvést do problematiky této diplomové práce. Dále jsou zde uvažované možnosti ochran těchto sběrnic z hlediska elektromagnetické kompatibility.

1.1 Sběrnice CAN (Controller Area Network) Sběrnice CAN je datová komunikační síť pro distribuované řídicí aplikace pracující v reálném čase, která byla vyvinuta v 80. letech dvacátého století firmou Robert Bosch, pro nasazení především v automobilové technice. Přední světoví výrobci integrovaných obvodů postupně implementovali podporu protokolu CAN do svých produktů, čímž dochází ke stále častějšímu využívání sběrnice CAN i v různých průmyslových aplikacích, například v komunikaci řídicích systémů, čidel a podobně. Důvodem implementace CAN protokolu je především jeho spolehlivost, robustnost, nízká cena, snadné nasazení, vysoká přenosová rychlost, snadná rozšiřitelnost a dostupnost potřebné součástkové základny. Dnes má CAN bus mezi ostatními fieldbusy1 své pevné místo a je definován mezinárodní normou ISO 11898. Tato norma popisuje fyzickou a linkovou vrstvu referenčního modelu ISO / OSI a specifikaci CAN 2.0A. O pár let později byla vytvořena specifikace CAN 2.0B, která zavedla dvě formy CANovské zprávy lišící se v délce identifikátoru zprávy CAN - standardní formát zprávy obsahuje 11bitový identifikátor a rozšířený formát zprávy obsahuje 29bitový identifikátor. Sdružení CiA (Can in Automation) zavedlo pro průmyslové aplikace standardizaci vyšších vrstev komunikačního protokolu, mezi které patří např. CAL (CAN Application Layer), DeviceNet, CANopen, ale i zapojení konektorů. [1] Nasazení sběrnice CAN v automobilech proběhlo poprvé v roce 1991 ve voze značky Mercedes Benz třídy S. Ve vozech značky VW a ŠKODA byla sběrnice CAN poprvé použita v roce 1996 v komfortním systému u typů Passat a Octavia.

1

fieldbus - označení pro rodinu komunikačních protokolů pro průmyslovou aplikaci, od roku 1999

normalizovaných ve standardu IEC 61158

12


Tomáš Beck 2013

Hlavní mezinárodní normy pro CAN v automobilech: 

ISO 11898 Road vehicles -- Interchange of digital Controller area network (CAN) for high-speed communication

information

--

data communication

--

 

ISO 11519-2 Road vehicles -- Low-speed serial Part 2: Low-speed controller area network (CAN)



SAE J1939 pro nákladní automobily a autobusy v USA



SAE J2284 High Speed CAN (HSC) for Vehicle Applications at 500 kbps

Přenosovým prostředkem datové komunikační sítě CAN je sběrnice tvořená dvouvodičovým vedením, jehož signálové vodiče jsou označeny CAN_H a CAN_L. Jednou z výhod sběrnice CAN je, že dvouvodičové přenosové vedení je diferenční, čímž se případné rušení do obou vodičů indukuje stejně a diferenční napětí se tímto nezmění. Vedení je na jeho koncích opatřeno terminačními odpory o hodnotě 120 Ω (terminátory), tudíž vlnová impedance vedení je 60 Ω. Ke sběrnici CAN jsou připojovány budiče komunikačních uzlů, jejichž počet připojených najednou může být až 110 (závislé na použitém typu budičů CAN). Způsob připojení komunikačních uzlů tvoří nejčastěji sběrnicovou topologii. Z úsporných důvodů se také někdy můžeme setkat se zapojením komunikačních uzlů do topologie typu hvězda. Na obr. 1.1 je zobrazeno principiální schéma sběrnice CAN. UZEL

UZEL

UZEL

1

2

n

120Ω

120Ω

CAN_H

CAN_L

obr. 1.1: Principiální schéma sběrnice CAN

13


Tomáš Beck 2013

Sběrnice CAN využívá dvou logických stavů: aktivní (dominant - dominantní) – log “0“ a pasivní (recessive - recesivní) – log “1“. Sběrnice se nachází v aktivním stavu, je-li alespoň jeden její uzel v dominantním stavu. Naopak v pasivním stavu je sběrnice tehdy, jsou-li všechny její uzly v recesivním stavu. Pro přenos signálu se využívá dvou typů budičů sběrnice: CAN – HS (High speed budiče) a CAN – LS (Low speed budiče), jejichž vhodnost nasazení se odvíjí od použité přenosové rychlosti. Na obr. 1.2 níže jsou znázorněny jednotlivé napěťové úrovně Low a High speed budičů sběrnice CAN. LOW SPEED U[V] 5

HIGH SPEED U[V]

CAN_L

5

4 3,6

4 3,5 3 2,5 2 1,5 1

CAN_H

3

2,0V

2,2V 2 1,4 1 0

CAN_L CAN_H

recesivní

0 dominantní

recesivní

recesivní

dominantní

recesivní t

obr. 1.2: Napěťové úrovně budičů sběrnice CAN – LS a CAN – HS U sběrnice s CAN - High Speed budiči může maximální přenosová rychlost dosahovat až 1 Mbit/s při maximální délce sběrnice do 40m. Při délce sběrnice do 130m je přenosová rychlost poloviční, tedy 500kbit/s a pro délku 560m je možné použít s High – speed budiči přenosovou rychlost maximálně 125kbit/s. Pro nižší přenosové rychlosti a delší vzdálenosti sběrnice se používají CAN – Low Speed budiče, pro něž platí maximální rychlost přenosu 125kbit/s. [2] Přenosový signál je na bitové úrovni kódován pomocí metody NRZ (non return to zero) a pro zajištění dostatečné synchronizace přenosu se ještě využívá kódování signálu pomocí tzv. bit stuffingu, kde při kódování signálu je po pěti bitech stejné úrovně vložen bit úrovně opačné a při dekódování signálu je po pěti bitech stejné úrovně následující bit opačné úrovně opět vyjmut. Sekvence bitů před vysíláním na sběrnici je tedy totožná jako sekvence bitů po přijetí určená k dalšímu zpracování. [2]

14


Tomáš Beck 2013

Přístup jednotlivých uzlů na sběrnici je založen na prioritním rozhodování pomocí identifikátoru a RTR2 bitu každého uzlu, sledováním sběrnicové úrovně bit po bitu, přičemž uzel s nižší hodnotou identifikátoru má vyšší prioritu přístupu na sběrnici. [2] Formát přenášených zpráv je definován komunikačním protokolem na aplikační úrovni referenčního modulu ISO / OSI. Jednotlivé zprávy jsou přenášeny v tzv. rámcích. Definice CAN rozlišuje čtyři typy rámců: 

datový rámec (DATA FRAME)



žádost o data (REMOTE FRAME)



chybový rámec (ERROR FRAME)



rámec přeplnění (OVERLOAD FRAME)

Výhody použití sběrnice CAN

2



vysoká rychlost přenosu dat 1 Mbit / s při délce sběrnice do 40 m



rozlišení zpráv identifikátorem CAN 2.0A 11 bitů a CAN 2.0B 29 bitů



selekce přijímaných identifikátorů zpráv



vysoká provozní spolehlivost



značná úroveň zabezpečení přenosu



stále se rozšiřující součástková základna



diagnostika sběrnice, např.: chyba doručení zprávy, chyba CRC, přetečení bufferu



prioritní přístup zabezpečující urychlené doručení významných zpráv



nízká cena

RTR bit – určuje, zda zpráva obsahuje data (Data frame), nebo je bez dat a žádá se o data (Remote frame)

15


Tomáš Beck 2013

1.2 Sběrnice LIN (Local Interconnect Network) Sběrnice LIN je jednoduchá komunikační sběrnice, která využívá pro přenos dat pouze jediný vodič. Je založena na bázi klasické asynchronní sériové komunikace UART / RS-232, která je vhodná pro přímý přenos dat mezi řídicí jednotkou, inteligentním senzorem, či akčním členem. První specifikace sběrnice LIN byla vytvořena v roce 1999, kdy v automobilech byly běžně používány sériové sběrnice (např. CAN), ale doposud chyběl standard, který by řešil levnější náklady na vývoj a implementaci komunikační sběrnice do částí automobilu, kde není kladen požadavek na vysokou rychlost a bezpečnost přenosu. Možnost sériového přenosu dat nabízí implementaci sběrnice na libovolný mikrokontrolér s periferií UART nebo počítač, což je velkou výhodou této komunikace. Specifikace LIN zahrnuje definici komunikačního protokolu, fyzickou vrstvu modelu ISO / OSI, ale také řeší rozhraní pro vývojové nástroje a aplikační software. [9] Díky LIN je propojení a sériová komunikace inteligentních senzorů a akčních členů v embedded systémech, kde není kladen důraz na velkou přenosovou rychlost, robustnost a univerzálnost, cenově přijatelnější. Hardwarové řešení sběrnice LIN je založeno na mikroprocesoru zajišťující obsluhu událostí, vysílání a přijímání dat na sběrnici LIN, dále na řadiči sériové komunikace založené na UART / SCI formátu dat a budiči LIN, který realizuje převod signálu z TTL úrovně do fyzické vrstvy LIN – napěťové úrovně 0 až 12 V. [9] Přístup na sběrnici LIN je dán hierarchií „single – master / multi – slaves“, kde jednotka MASTER vysílá jednotkám SLAVE požadavek na vydání dat nebo sama data vysílá. Díky asynchronní komunikaci po sběrnici nemusí mít jednotky SLAVE přesné krystalové oscilátory, ale postačí jim pouze levné RC oscilátory, což je značnou výhodou a tím je LIN přibližně 2 – 3 krát cenově levnější, než robustní sběrnice CAN. Širší veřejnosti byl protokol LIN prezentován v roce 2000 sdružením několika automobilových společností, mezi něž patří Audi, DaimlerChrysler, BMW, Volkswagen, VTC, Volvo a Motorola. [9]

16


Tomáš Beck 2013

Vlastnosti sběrnice LIN 

jednovodičová sběrnice



sériový přenos dat využívající formát UART / RS-232



rychlost komunikace 2.4 kbit / s až 19.2 kbit / s



komunikace typu master – slave



propojení až 17 jednotek (pouze 1 master)



časová synchronizace bez stabilizované časové základny

Přenos signálu pouze po jednom vodiči sběrnice LIN představuje vyšší úroveň elektromagnetických emisí oproti symetrickému (diferenčnímu) přenosu napěťových úrovní sběrnice CAN, a proto je u LIN např. požadavek na rychlost přeběhu nižší (strmost hrany signálu) cca 2 V / μs, což má za následek nižší přenosovou rychlost. Komunikace po sběrnici LIN probíhá prostřednictvím vysílání rámce LIN zprávy (LIN Message Frame). Tento rámec zprávy LIN je tvořen ze dvou menších rámců a je zobrazen na obr. 1.3.



Header frame = Command frame

- vysílán jednotkou MASTER



Response frame = Data frame

- vysílán jednotkou MASTER nebo SLAVE

Command Frame

Data Frame t[s] Interframe Gap

obr. 1.3 Rámec LIN zprávy

17


Tomáš Beck 2013

1.3 Elektromagnetická kompatibilita Průmyslové distribuované systémy založené na využití sériových průmyslových komunikačních

sběrnic

se

v

současnosti

běžně

používají

pro

implementaci

automatizovaných systémů pro sběr dat a řízení. Jejich použití v průmyslovém prostředí s sebou přináší mnoho problémů a rizik, souvisejících především s běžně se vyskytující vysokou úrovní vnějších elektromagnetických vlivů. Tato kapitola se zabývá potlačením jednoho z těchto rizik a to ochranou komunikačních sběrnic CAN a LIN proti elektrostatickému výboji ESD. 1.3.1 Odolnost komunikačních linek proti přepětí Vzhledem k neustálé miniaturizaci a velké integraci součástek jsou tyto obvody čím dál tím více citlivější na rušení okolními vlivy. Častým a velkým nebezpečím pro elektronické zařízení jsou tzv. transientní děje, respektive přechodové děje, které mohou způsobit přepěťové špičky na sběrnici a tím narušit či úplně zničit některé součástky nebo zařízení připojená ke sběrnici. Tyto špičky mohou být způsobeny např. elektrostatickým výbojem, který má sice krátký časový charakter, ale je schopen přenést dostatečnou energii ke zničení elektronických součástek. Základní

příčinou

již

zmíněných

transientních

(tzn.

impulsních)

přepětí

jsou atmosférické výboje. Přepětí však mohou vznikat i při provozu napájecích a datových sítí. Například spínací jevy v silové síti nízkého napětí nezřídka vedou ke vzniku přepětí. Tato přepětí vstupují do zařízení různými cestami: galvanickou, induktivní nebo kapacitní vazbou. Abychom zajistili, že transientní přepětí neohrozí systémy přenosu dat, musíme učinit řadu opatření chránících tato zařízení před jejich účinky. Základním podkladem pro posouzení rizik z atmosférických výbojů je soubor norem ČSN EN 62305-1 až ČSN EN 62305-4 (Ochrana před bleskem). [3]

18


Tomáš Beck 2013

1.3.2 Ochrana transilem (Transient Voltage Suppression diode) Transil, někdy se také označuje jako TVS dioda, se principiálně blíží funkci Zenerovy diody a je přímo určený pro potlačování napěťových špiček. Tento typ ochrany výrazně zvyšuje odolnost zařízení proti poškození napětím indukovaným do přívodních vodičů. Transily však rozhodně nelze považovat za jedinou a dostatečnou ochranu, ale spíše za jeden ze stupňů ochrany. Součástí každé komunikační sběrnice by měla být alespoň integrovaná přepěťová ochrana před elektrostatickými výboji na bázi supresorů – transilů. [3] 1.3.3 Elektrostatický výboj (ElectroStatic Discharge) Elektrostatický výboj může být vytvořen elektromagnetickou indukcí a nebo triboelektrickým3 jevem. Vzniká tak pole, jež může mít destruktivní charakter. Pro testování účinků tohoto elektrostatického pole existuje několik modelů, které jsou popsány mezinárodní standardizovanou normou IEC 61000-4-2. Modely jsou principiálně tvořeny zdrojem vysokého napětí, kondenzátorem (někdy tlumivkou) a rezistorem pro omezení testovacího vybíjecího proudu. Norma IEC 61000-4-2 definuje čtyři třídy citlivosti zařízení na napětí v rozsahu ±2kV až ±15kV. Třídy citlivosti jsou uvedeny v tab. 1.1. Na obr. 1.4 je předepsaný průběh vybíjecího proudu. Jak již bylo uvedeno, proudový impulz má velice krátký časový charakter, ale množství přenesené energie může být postačující k částečné nebo úplné destrukci zařízení.

tab. 1.1: Úrovně napětí a proudů dle IEC 61000-4-2 (převzato z [6])

3

Triboelektrický jev – jev, kdy elstat. náboj je generován kontaktem a následným oddělením dvou povrchů

s různou materiálovou polaritou

19


Tomáš Beck 2013

obr. 1.4: Průběh testovacího proudu 1.3.4 Ochrana sběrnice CAN Pro ochranu sběrnice CAN proti elektrostatickému výboji (dále jen ESD), lze použít například ESD diodu PESD2CAN od firmy NXP, která je navržena pro ochranu obou vodičů (CAN – High a CAN – Low) sběrnice CAN. Dioda PESD2CAN je zobrazena na obr. 1.5 a doporučené schéma zapojení je na obr. 1.6. Vyrábí se v SMD verzi a to v pouzdru SOT – 23, což vede ke značné úspoře místa na desce plošného spoje. Ochranná schopnost této diody je do 30 kV, resp. do výkonové špičky Ppp = 230 W při délce trvání do 8 / 20 µs ESD pulsu.

obr. 1.5: Dioda PESD2CAN a její vnitřní zapojení

obr. 1.6: Doporučení zapojení ESD diody dle výrobce (převzato z [4])

20


Tomáš Beck 2013

1.3.5 Ochrana sběrnice LIN Pro ochranu sběrnice LIN proti ESD výboji, lze stejně jako u sběrnice CAN, použít ochrannou diodu PESD1LIN rovněž od firmy NXP. Dioda je navržena pro ochranu vodiče sběrnice LIN vůči zemi, resp. kostře vozidla. Je vyráběna v SMD verzi v pouzdře SOD – 323. Dioda je zobrazena na obr. 1.7 a schéma doporučeného zapojení výrobcem je zobrazeno na obr. 1.8. Ochranná schopnost této diody je do 23 kV, resp. do výkonové špičky Ppp = 160 W při délce trvání do 8 / 20 µs ESD pulsu.

obr. 1.7: Dioda PESD1LIN

obr. 1.8: Doporučení zapojení ESD diody dle výrobce (převzato z [5])

21


Tomáš Beck 2013

2 Praktická část Tato část diplomové práce se zabývá problematikou oživování hardwarové části měřicího zařízení s rozhraním CAN a LIN, které bylo navrženo a realizováno v rámci diplomové práce s názvem „Zařízení pro vysílání zpráv na sběrnici CAN“ pana Ing. Jakuba Hrdličky v akademickém roce 2011 / 2012 pod vedením pana Ing. Michala Kubíka, PhD. Měřicí karta byla v DP Ing. J. Hrdličky označována pod pracovním názvem „CANtron II“. V této práci je zařízení myšleno pod názvem „CANtron II v1.0“ Při seznamování se se schematickými podklady hardwarové části CANtronu II v1.0 (uvedeny v příloze DP Ing. J. Hrdličky) a jeho následném oživování, bylo odhaleno několik závažných a méně závažných chyb, které znemožňovaly řádnou funkčnost tohoto zařízení. Proto se tato kapitola dále zabývá zcela novým návrhem druhé verze hardwarové části již výše zmíněného zařízení a popisuje možnosti a funkce nové verze měřicí karty, která je v této diplomové práci označována jako „CANtron II v2.0“.

2.1 CANtron II v1.0 – oživování DPS, popis chyb v návrhu V následujících kapitolách jsou uvedeny a popsány jednotlivé závažné či méně závažné chyby zjištěné při oživování měřicího zařízení CANtron II v1.0 navrženého panem Ing. J. Hrdličkou. Jednotlivé chyby jsou očíslovány a označeny červenou elipsou. Vícenásobné chyby stejného charakteru jsou u čísla chyby označovány indexem a, b, c… 2.1.1 Blok napájecího zdroje Níže vypsané chyby 1 – 4 se vztahují k obr. 2.1. Chyba 1: Autor Ing. J. Hrdlička chtěl při návrhu měřicí karty nejspíše zajistit, aby bylo možné CANtron II v1.0 napájet skrze rozhraní USB za předpokladu, že zařízení není momentálně napájeno z hlavního 15pinového konektoru. Tuto funkcionalitu však není v tomto zapojení možné zajistit, jelikož napětí USB rozhraní je 5,0 V, které je přivedeno na spínaný stabilizátor LM2676S-5.0 (Uout =5,0V) skrze diodu D5, na které vzniká v důsledku prahového napětí úbytek 0,7 V. Přivedené vstupní napětí stabilizátoru je tedy maximálně 4,3 V. Výrobce stabilizátoru uvádí Uin z USB rozhraní je nemožné.

22

min

= 8,0 V, tudíž napájení zařízení


Tomáš Beck 2013

Chyba 2: Autor v zapojení vstupního stabilizátoru napětí (LM2676S-5.0) nedbal doporučení

výrobce

a

použil

zde

nedostatečně

dimenzovanou

externí

cívku.

I přes tento fakt zatím nebyla zjištěna při oživování zařízení nesprávná funkčnost stabilizátoru, proto je tato cívka použita i v nové verzi CANtron II v2.0. Značné problémy s oživováním CANtronu II v1.0 byly spojeny s nevhodným návrhem zapojení LDO regulátoru MCP1727-3302E s výstupním napětím Uout = 3,3 V, který zde slouží pro napájení MCU STM32F207VGT6 a dalších integrovaných obvodů. Chyba 3: Použití rezistoru R88 mezi potenciálem země a ovládacím pinem SHDN u LDO napěťového regulátoru se projevilo jako nevhodné, protože při požadavku přechodu regulátoru do Shut – down módu na rezistoru R88 vznikal úbytek napětí, čímž nebyla dodržena minimální požadovaná úroveň napětí pro přechod regulátoru do úsporného módu. Regulátor tak náhodně přecházel mezi režimy Power a Shut – down a řízení pracovního módu, resp. udržení regulátoru v provozu, nebylo v této konfiguraci možné. Chyba 4: Největší problém v návrhu napájecího zdroje je označen chybou č. 4 na obr. 2.1. Nevhodným postupem při návrhu schématu zapojení regulátoru U30 autor neuzemnil pin GND samotného LDO regulátoru, resp. nevytvořil uzel v označené oblasti schématu a tím bylo způsobeno značné kmitání výstupního napětí regulátoru. Toto natolik zkreslené napětí znemožňovalo spolehlivé napájení a funkci dalších částí zařízení. Např. takto napájené MCU vykazovalo značnou nestabilitu funkcionalit a náhodně, avšak často, vyvolávalo power – reset sekvenci. 5V0

12V0

Chyba 2

U10 2 NC 7 C28 D5

C30

10uF 10uF

C31

4

47nF 8

IN

SW

ON/OFF

FB

GND

CB

TAB

NC

U30

1

1 2 L1 33uH

6 C29

3

3 5

P14 10nF

NC5 2 1

D6 BAS40

LM2676S-5.0/NOPB

ShutDown 3.3V DO

VIN VIN SHDN

VOUT SENSE CDELAY

PWRGD

GND

8 7 6 4

MCP1727-3302E/SN R88 22K

C39

C41 4.7uF

1nF

C42 100uF/16V

USB_VBUS

Chyba 1

3V3_PWRGD

Chyba 3 Chyba 4 GND

GND

GND

GND

GND

obr. 2.1: Schéma zapojení napájecího zdroje (převzato z [7])

23

GND

C40 1uF


Tomáš Beck 2013

Níže vypsané chyby 5 – 8 se vztahují k obr. 2.2, obr. 2.3 a obr. 2.4 Chyba 5: Ing. J. Hrdlička ve svém návrhu zdrojové části použil pro galvanicky oddělené napájení dalších částí obvodu izolovaný DC – DC měnič 12V – 12V. Na vstup měniče je přivedeno vstupní napětí (chráněné polovodičovou pojistkou) přímo z hlavního 15 pinového konektoru. Vzhledem k předpokladu užití měřicí karty v automobilech můžeme čekat velikost palubního napájecího napětí okolo 14,4 V i vyšší. Toto napětí je tedy přímo přivedeno na použitý DC – DC měnič skrze návěští 12V0 zobrazené na obr. 2.2. Takto navržené zapojení vstupu měniče je však zcela nevhodné, jelikož výrobce použitého DC – DC měniče typu VBSD1-S12-S12 uvádí maximální vstupní napětí Uin

max

= 13,2 V, tudíž při připojení CANtronu II v1.0 k palubní síti automobilu

může dojít ke značnému přehřívání či destrukci tohoto DC – DC měniče. Chyba 5 GND

GND_ISO12V0 12V0_ISO

12V0 DC-DC 1

C43 1 2.2uF

2

C44

-Vin

-Vout

+Vin

+Vout

3 4

1uF

VBSD1-S12-S12

obr. 2.2: Izolovaný DC – DC měnič 12V – 12V (převzato z [7]) Chyba 6: Dále autor v návrhu napájecí části použil izolovaný DC – DC měnič VBSD1-S5-S5 pro galvanicky oddělené napájení rozhraní USB. Současně autor v návrhu zařízení použil pro galvanické oddělení USB izolátor ADuM4160, který již izolované napájení obsahuje. Bylo tedy navrženo dvojité galvanické oddělení napájecí části USB rozhraní, tudíž zmíněný použitý DC – DC měnič na obr. 2.3 je v zařízení redundantní a zbytečně zvyšuje spotřebu. Chyba 6 GND

GND_USB 5V0_USB

5V0 DC-DC 3

C47 1 4.7uF

2

C48

-Vin

-Vout

+Vin

+Vout

3 4

4.7uF

VBSD1-S5-S5

obr. 2.3: Izolovaný DC – DC měnič 5V – 5V (převzato z [7])

24


Tomáš Beck 2013

Chyba 7: Autor při návrhu zařízení uvažoval hlavní vypínač – tlačítko P-B1706 s aretací, které však při realizaci DPS nebylo osazeno. Při snaze dohledat toto tlačítko u známých dodavatelů elektrotechnických součástek, bohužel nebylo žádné nalezeno. Při srovnání s tlačítky se stejným pouzdrem nesouhlasil použitý footprint a proto bylo tlačítko nahrazeno drátovou propojkou. Chyba 8: Při návrhu proudového jištění CANtronu II v1.0 byla autorem nevhodně zvolena nadproudová pojistka v pouzdru TO – 92. Při hledání náhradní pojistky v tomtéž pouzdru byla dostupnost téměř nulová. Chyba 7

12V0_notFuse1 GND

5 2 SW_aretace 1

1 3 4 6 P-B1706

NC 12V0_notFuse2 GND

Chyba 8 12V0_notFuse2

1

F1

2

12V0

FUSE 1.25A

obr. 2.4: Schéma zapojení hlavního vypínače a proudové pojistky (převzato z [7])

25


Tomáš Beck 2013

2.1.2 Blok zapojení MCU Následující chyby 9 – 11 jsou vztaženy k obr. 2.5 na následujícím listu. Chyba 9: Další závažná chyba v diplomové práci Ing J. Hrdličky byla zjištěna při zkoumání jednotlivých schémat zapojení, konkrétně ve schématu zapojení MCU. Autor v návrhu vůbec neuvažoval užití keramických kondenzátorů (2,2 µF). V aplikačních poznámkách k MCU výrobce (ST Microelectronics) výhradně doporučuje jejich použití při návrhu zařízení, jelikož tyto kondenzátory jsou nedílnou součástí integrovaného napěťového regulátoru pro napájení jádra MCU a jejich absence může způsobit nefunkčnost MCU. To se také v praxi při oživování CANtron II v1.0 potvrdilo v podobě jeho nestabilního chování. Chyba 10: MCU disponuje dvěma externími piny pro výběr čtení bootovací sekvence z paměti FLASH nebo RAM po náběhu napájení. V elektrotechnických poznámkách (electrical notes, [8] str. 36) použitého MCU jsou pro tuto funkci určeny piny č. 94 (Boot0) a č. 37 (Boot1, PB2). Autor signál ”BOOT1” přivedl ještě z neznámých důvodů na pin č. 93, což může být pro programátora matoucí, či pro některé aplikace nežádoucí. Chyba 11: Návěští USB_VBUS na obr. 2.5 bylo již řešeno u chyby č. 1, kde autor nevhodně přivedl napájení z USB rozhraní na vstup napájecího zdroje. Chyby 12a a 12b jsou vztaženy k obr. 2.6 na následujícím listu. Chyba 12a,b: U signálů CAN_select, FREE_switch, BOOT0 a BOOT1 na obr. 2.6 autor nevhodně přidal do série rezistory R11, R13, R9 a R12 o hodnotě 10 kΩ. Při neoptimálním naprogramování MCU (zapnutí interních pull-up rezistorů MCU) mohou způsobovat úbytky napětí na výše uvedených rezistorech nefunkčnost vypínačů S1 a S2, resp. úbytky na rezistorech způsobí napěťový posuv výše zmíněných signálů a ty mohou být na vstupech GPIO brány MCU špatně vyhodnoceny.

26


Tomáš Beck 2013 GND

3V3_PWRGD

NC NC NC NC

NRST

Chyba 9

94

CAN1, CAN2

BOOT1 TDO/SWO TRST

CAN2_RX CAN2_TX

Chyba 10

BOOT1

CAN1_RX CAN1_TX USB_VBUS VBUS DD+

R14 R15 R16

22R 22R 22R

35 36 37 89 90 91 92 93 95 96 47 48 51 52 53 54

PB0 PB1 PB2_BOOT1 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PB8 PB9 PB10 PB11 PB12 PB13 PB14 PB15

VBAT

14 NRST

6

22 19 11 28 100 75 50 VDDA VDD_12 VDD_5 VDD_4 VDD_3 VDD_2 VDD_1

20 10 27 74

STM32F207VGT6

PC13 PC12 PC11 PC10 PC9 PC8 PC7 PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PCO

62 61 60 59 58 57 56 55 88 87 86 85 84 83 82 81

7 80 79 78 66 65 64 63 34 33 18 17 16 15

MODUL_connect

D5_Output_3V3 D0_Output_3V3 D1_Output_3V3 D2_Output_3V3 D4_Output_3V3 D3_Output_3V3 D6_Output_3V3 D7_Output_3V3

Term_SW2 Term_SW1

CAN_select FREE_switch

LED2 LED3 LED4 LED5

LED_mod_1 LED_mod_2

OSC32_IN OSC32_OUT

97 98 1 2 3 4 5 38 39 40 41 42 43 44 45 46

Chyba 11

BOOT0

PH0/OSC_IN PH1/OSC_OUT

BOOT0

PD15 PD14 PD13 PD12 PD11 PD10 PD9 PD8 PD7 PD6 PD5 PD4 PD3 PD2 PD1 PD0

OSC_IN OSC_OUT

TMS/SWDIO TCK/SWCLK TDI

CPU? STM32F207VGT6

12 13

RTS-CTS

PC14/OSC32_IN PC15/OSC32_OUT

LIN1_TX LIN1_RX

Cannot open file D:\Ing - Dip. práce\ING_obrazky\STlogo.jpg

8 9

USART1 [ LIN1 ]

VSSA VSS_5 VSS_4 VSS_2

RTS-CTS

LIN2_TX LIN2_RX

PA0/WKUP PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PA8 PA9 PA10 PA11 PA12 PA13 PA14 PA15

PE0 PE1 PE2 PE3 PE4 PE5 PE6 PE7 PE8 PE9 PE10 PE11 PE12 PE13 PE14 PE15

USART2 [ LIN2 ]

23 24 25 26 29 30 31 32 67 68 69 70 71 72 76 77

RFU_NC VREF+ VCAP_1 VCAP_2

99 21 49 73

NC

R1 10k

R4 10k

BOOT1

3V3_PWRGD

BOOT0

FREE_switch

3V3_PWRGD

CAN_select

obr. 2.5: Zapojení MCU (převzato z [7])

R2 10k 10k R9

R5 10k

10k R11

4 3

12a

1 2

S1 Chyba SW DIP-2

Chyba 12b

S2 SW DIP-2

1 2

4 3

10k R12 10k R13

GND

GND

obr. 2.6: Schéma zapojení CAN speed select a Boot select vypínačů (převzato z [7])

27


Tomáš Beck 2013

Chyba 13: Při návrhu resetovacího obvodu MCU Ing. J. Hrdlička z neznámých důvodů nevhodně

vložil

schottkyho

diodu

do

série

s resetovacím

signálem

NRST

na obr. 2.7, která svými vlastnostmi znemožňovala tlačítkové ovládání resetovacího signálu a MCU tak na povel resetu nereagovalo. Chyba 14: Autorem navržený a použitý blokovací keramický kondenzátor (paralelně k tlačítku PB1) o hodnotě 100 pF nekoresponduje s výrobcem doporučovanou hodnotou 100 nF.

NRST

3V3_PWRGD

R10 1k5

D1

3 4

D2

SW_PB 1 2

PB1

GND

C3 100p

BAS40

Chyba 13

Chyba 14

GND

obr. 2.7: Schéma zapojení resetovacího obvodu (převzato z [7]) 2.1.3 Blok zapojení převodníků napěťových úrovní Chyba 15a,b: Na obr. 2.8 byla Ing. J. Hrdličkou navržena funkce výběru napěťových úrovní (CAN – High speed, CAN – Low speed) skrze elektronické přepínače STG719. Při oživování zařízení bylo zjištěno, že autorem uvažovaná konfigurace přepínání komunikačních signálů pro výběr napěťových úrovní sběrnice CAN byla zvolena nevhodně. Autor zde spojil výstupy obou budičů (CAN – HS, CAN – LS) paralelně, čímž tato uvažovaná funkcionalita ztratila na významu, jelikož vstupní a výstupní signály budičů se tímto spojením navzájem ruší a přepínání budících signálů v této konfiguraci tak nemá smysl. Tento problém se rovněž týká chyby č. 31 na straně č. 34 u obr. 2.15.

28


Tomáš Beck 2013

3V3_PWRGD LV Switch 1 1 2 3

CAN_select C60

IN Vcc GND

S2 D S1

6 5 4

1 2 3

C61

IN Vcc GND

S2 D S1

C62

S2 D S1

6 5 4

3V3_PWRGD

1 2 3

C63

IN Vcc GND

S2 D S1

CAN2_TX 3V3_PWRGD

STG719 LV Switch 4

100n

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Chyba 15b 6 5 4

I/O VL1 VL I/O VL2 I/O VL3 I/O VL4 I/O VL5 I/O VL6 I/O VL7 I/O VL8 EN MAX3002

I/O Vcc1 Vcc I/O Vcc2 I/O Vcc3 I/O Vcc4 I/O Vcc5 I/O Vcc6 I/O Vcc7 I/O Vcc8 GND

20 19 18 17 16 15 14 13 12 11

Bi-directional Level shifter

CAN1_TX_S2_LS 5V0 CAN1_TX_S1_HS CAN1_RX_S2_LS CAN1_RX_S1_HS CAN2_TX_S2_LS CAN2_TX_S1_HS CAN2_RX_S2_LS CAN2_RX_S1_HS

GND

CAN2_RX

STG719

100n GND

IN Vcc GND

GND

Bi-level shifter ? CAN1_RX

LV Switch 3 1 2 3

100n

Chyba 15a 6 5 4

STG719 100n

100n

C65 5V0

STG719 LV Switch 2

100n

C64 3V3_PWRGD

CAN1_TX

GND

obr. 2.8: Schéma zapojení elektronických přepínačů (převzato z [7]) Chyba 16a,b: Autor během návrhu „Level shifterů“ nevhodně zvolil zapojení použitých IO, kde uzemnil jejich CMOS výstupy, což vede k destrukci dané součástky a zároveň zvolil footprint špatně dostupného pouzdra (TSSOP−16) těchto převodníků. Právě z důvodu špatného návrhu zapojení a nedostupnosti pouzdra nebyly zmíněné Level shiftery (MC14504BD) při realizaci DPS CANtronu II v1.0 nikdy osazeny, resp. nemohly by být v tomto zapojení nikdy použity. Chyba 17: Při návrhu vstupních „Level shifterů“ autor neuvažoval blokovací keramické kondenzátory proti rušení napájecí větve od integrovaných obvodů. Chyba 17 12V0

3V3_PWRGD

Chybí blokovací kondenzátory

Level Shifter 1 1 2 3 4 5 6 7 8

D6_Output_3V3 D6_Input_12V D7_Output_3V3 D7_Input_12V

Chyba 16a

Vcc Aout Ain Bout Bin Cout Cin Vss

Vdd Fout Fin MODE Eout Ein Dout Din

MC14504B

16 15 14 13 12 11 10 9

Chyba 16b CMOS_output logic GND

GND

obr. 2.9: Schéma zapojení převodníků napěťových úrovní (převzato z [7])

29


Tomáš Beck 2013

2.1.4 Blok zapojení testovacích a připojovacích obvodů Autor při návrhu CANtron II v1.0 uvažoval možnost duálního vysílání zpráv na sběrnice CAN a LIN skrze dva totožné komunikační moduly. První komunikační modul byl tvořen spolu s napájecím zdrojem a řídicím MCU na řídicí DPS a druhý komunikační modul byl navržen tak, aby zde byla možnost jeho případného odejmutí. Připojitelnost 2. komunikačního modulu k řídicí DPS byla zajištěna pomocí tzv. "headerů". Chyba 18: Aby bylo možné pomocí MCU testovat, zda je 2. komunikační modul aktuálně připojen k řídicí DPS či nikoliv, zavedl autor ze signálového headeru odnímatelného modulu do MCU kontrolní signál, na obr. 2.10 označen jako MODUL_connect, který byl skrze pull – up rezistor (10 kΩ) přiveden na napájecí napětí a v případě připojeného odnímatelného modulu byl tento signál stažen na potenciál země. Autor zde opět nevhodně vložil rezistor R74 do série s kontrolním signálem, čímž může vzniknout stejná chyba vyhodnocení signálu, která byla zmíněna již u chyby č. 12 na str. 26. Následující chyby 19a a 19b se vztahují k obr. 2.10 a obr. 2.11. Chyba 19a,b: Jak již bylo uvedeno u chyby č. 18, autor zde pro testování připojení odnímatelného komunikačního modulu použil zapojení, které je zobrazeno na obr. 2.10. Signálová návěští MODUL_switch1,2 jsou přivedena na signálový header, který je umístěný na řídicí DPS a zároveň byla tato návěští zkopírována i na signálový header odnímatelného modulu, čímž vznikla další chyba a testování připojení 2. modulu tak nebylo funkční, jelikož nebyla tato návěští na 2. modulu spojena. Tato chyba jistě vznikla pouhým zkopírováním konfigurace signálového headeru modulu 1 bez dalších nutných úprav zkopírovaného headeru na obr. 2.11 vpravo. 3V3_PWRGD

R73 10k R74 MODUL_connect 10k

Chyba 18 MODUL_switch_1 MODUL_switch_2

Chyba 19a GND

obr. 2.10: Testování připojení 2. komunikačního modulu (převzato z [7])

30


Tomáš Beck 2013

Chyba 20a,b: Tato chyba je vztažena k obr. 2.11 a obr. 2.12. Autor zde připojil na signálový header a současně na 4 pinový napájecí header komunikačních modulů napájecí napětí 5V0, viz obr. 2.12. Takto přivedené napájecí napětí z více míst nebylo při samotném návrhu DPS zohledněno (ošetřeno) a na realizované DPS tak byla vytvořena vícenásobná napěťová smyčka, která může způsobovat svými úbytky napětí rušení některých IO.

Modul 1

Modul 2 5V0

Chyba 20a

5V0

Chyba 20a

P9

P8 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

Term_SW2 LIN2_TX LIN2_RX CAN2_TX_S1_HS CAN2_RX_S1_HS CAN2_RX_S2_LS CAN2_TX_S2_LS MODUL_switch_1 MODUL_switch_2

Term_SW2 LIN2_TX LIN2_RX CAN2_TX_S1_HS CAN2_RX_S1_HS CAN2_RX_S2_LS CAN2_TX_S2_LS MODUL_switch_1 MODUL_switch_2

Header 12

Header 12

Chyba 19b

Chyba 19b GND

GND

obr. 2.11: Konfigurace připojovacích konektorů komunikačních modulů (převzato z [7])

Chyba 20b 5V0 GND

12V0_ISO 5V0_ISO

Modul 1 1 2 3 4

P10

1 2 3 4

P12

Chyba 20b 5V0

Header 4

GND

12V0_ISO 5V0_ISO

Header 4

GND_ISO5V0

Modul 2 1 2 3 4

P11

1 2 3 4

P13

Header 4

Header 4

GND_ISO5V0

obr. 2.12: Konfigurace napájecích konektorů komunikačních modulů (převzato z [7])

31


Tomáš Beck 2013

2.1.5 Blok zapojení komunikačních obvodů Autor zde rozdělil komunikační modul na tři hlavní části: blok komunikace po sběrnici LIN a dva bloky komunikace po sběrnici CAN (CAN – HS, CAN – LS). Při návrhu schématu zapojení komunikačních obvodů Ing. J. Hrdlička nezohlednil některá výrobcem doporučovaná obvodová řešení použitých IO (budiče CAN, LIN), čímž se tak dopustil v návrhu CANtron II v1.0 několika dalších chyb. Některé níže popsané chyby v zapojení byly při oživování jednotlivých bloků komunikačního obvodu natolik kritické, že i přes snahu jejich odstranění (po nahrání oživovací sekvence) MCU okamžitě shořelo a následovala jeho nutná výměna. Na základě této skutečnosti, a výše či dále popsaných chyb, bylo další oživování CANtron II v1.0 ukončeno a přešlo se ke zcela novému návrhu měřicího zařízení, viz kapitola 2.2 na str. 35. Následující popis chyb je vztažen k obr. 2.13, obr. 2.14 a obr. 2.15. Chyba 21a,b: V obvodovém řešení použitých optoelektronických izolátorů (6N137) autor neuvažoval ze strany MCU, ani ze strany sběrnicových budičů, sériové ochranné rezistory komunikačních signálů, což může mít při nedostatečně ošetřeném naprogramování firmware pro použitý MCU kritické či dokonce destrukční následky. Chyba 22: V obvodové části schématu na obr. 2.13, mezi optoelektronickými izolátory a budiči sběrnicových signálů, autor nerespektoval u budiče TJA1020 výrobcem doporučené použití pull – up rezistorů o hodnotě 2,2 kΩ, jejichž použití zajišťuje klidový stav komunikačních signálů RxD a TxD. Chyba 23: Tato chyba je úzce spjata s chybou č. 22. U komunikačního signálu TxD je sice pull – up rezistor použit, ale autorem zvolená hodnota rezistoru nekoresponduje s doporučenou hodnotou výrobce použitého budiče TJA1020 sběrnice LIN. Chyba 24: Použitá kapacita keramického kondenzátoru C6 na obr. 2.13 nesouhlasí s doporučovanou hodnotou, kterou výrobce uvádí v aplikačním zapojení použitého budiče. Autor v zapojení použil kondenzátor o kapacitě 30pF, výrobcem doporučovaná hodnota je však 3,3 nF. Chyba 25: Ing. J. Hrdlička v části schématu napájení budiče TJA1020 z baterie (skrze LIN konektor) nebo z galvanicky odděleného DC – DC měniče (na řídicí DPS) nevhodně navrhl použití diody D3 na obr. 2.13, která v obvodu měla sloužit jako ochrana proti přepólování. V případě současného napájení budiče ze sběrnice a DC – DC měniče 32


Tomáš Beck 2013

tak nejsou tyto dva zdroje napětí chráněny vůči sobě, čímž může dojít ke zničení např. DC – DC měniče. V naznačených oblastech napájecích větví u chyby č. 25 autor mohl místo D3 použít dvě usm. diody (obě polarizované ve směru D3), které by tím tak problém rizika zničení uvažovaného DC – DC měniče vyřešily. 5V0

12V0_LIN1

5V0_ISO

5V0_ISO

12V0_ISO D3

Chyba 22 chybí pull-up rezistor R18 390

Chyba 25 R22 10k

Optocoupler 1 5 6 7 8

LIN1_RX

C8 100nF

4 3 2 1

NC

R25

LIN1_RX

390 NC

R27 390

Chyba 23 Chyba 21b

Optocoupler 3 NC

LIN1_TX 390

NC C A NC

6N137

GND R29

GND Vo Ve VCC

NC

1 2 3 4

NC A C NC 6N137

VCC Ve Vo GND

R21 10k LIN_Driver 1 1 2 3 4

RXD INH NSLP BAT NWAKE LIN TXD GND TJA1020

chybí ochranný rezistor

8 7 6 5

R17 1k

P1

LIN1_TX

8 7 6 5

P20 M/S_12V

2 1

NC

Master/Slave C6

LIN1

30p

Chyba 24

2

Chyba 21a chybí ochranný rezistor

2 1

5V0

C66 100n

ESD diode 1

C10

PESD1LIN

1

100nF

GND_ISO5V0 GND_ISO12V0

GND_ISO12V0

obr. 2.13: Schéma komunikačního obvodu sběrnice LIN (převzato z [7]) Chyba 26a,b: Autor u zapojení CAN – HS budiče TJA1040 opět nedbal na výrobcem doporučené aplikační zapojení a v návrhu tak nepoužil na výstupu budiče keramické kondenzátory o hodnotě 82pF, které by tak zlepšily EMC vlastnosti sběrnice CAN. Chyba 27: Na obr. 2.14 je zobrazeno autorem navržené zapojení, jehož funkcí by mělo být zajištění výběru koncové terminace (pomocí rezistorů R92, R93) sběrnice CAN. Výběr terminačních rezistorů je řízen pomocí spínání tranzistorů BSS138 (N – kanál DMOS) skrze galvanicky oddělený řídicí signál z MCU. Takto chybně navržená konfigurace zapojení není již z principu chování tranzistorů Q1 a Q2 v obvodu schopna správné funkce. Chyba 28: Použitá kapacita kondenzátoru C12 u signálu SPLIT na obr. 2.14 opět nesouhlasí s doporučovanou hodnotou výrobce uvedenou v aplikačním zapojení použitého budiče TJA 1040. Ing. J. Hrdlička v zapojení použil kondenzátor o kapacitě 10nF a výrobcem doporučovaná kapacita je 47 nF. Chyba 29: Při návrhu Ing. J. Hrdlička uvažoval jako ochranu výstupních signálů sběrnice CAN pomocí ESD diody PESD2CAN od firmy NXP, kterou však z nepochopitelného důvodu použil u obou komunikačních obvodů (CAN – HS, CAN – LS), přičemž výstupní signály obou komunikačních obvodů jsou vyvedeny na jeden společný konektor. ESD dioda tak byla zbytečně použita dvakrát na stejný signál.

33


Tomáš Beck 2013 Chyba 26a

5V0

5V0

5V0_ISO

chybí kondenzátor (EMC)

GND_ISO5V05V0_ISO

5V0_ISO

CAN1H

Chyba 21a

R91 100

R31 390


Q1 BSS138


CAN1_RX_S1_HS

C14 100nF

GND Vo Ve VCC

4 3 2 1

NC C A NC

NC

R41 CAN1_TX_S1_HS 390

NC

NC A C NC

TXD STB GND CANH Vcc CANL RXD SPLIT

Chyba 21b

C12

R93 60 Q2 BSS138

C68 100n

10nF

GND_ISO5V0

CAN1_TX

OptoCoup 1

R90

C16

6N137

Chyba 27

R92 60

8 7 6 5

TJA1040


8 7 6 5

VCC Ve Vo GND

CAN1_RX

R38 390


1 2 3 4

390 NC

6N137

GND

CAN High Driver 1

R33

NC

R34 6k8

Term_SW1

Chyba 28

Chyba 26b

R37 chybí kondenzátor (EMC) 6k8

100 100nF

CAN1L ESD diode 3

KB817-B 1

3 2 GND_ISO5V0

GND

GND_ISO5V0

GND_ISO5V0

PESD2CAN

GND_ISO5V0

Chyba 29a

obr. 2.14: Schéma zapojení komunikačního obvodu CAN – High speed (převzato z [7]) Chyba 30: Autor při návrhu CAN – LS budiče opět nepoužil výrobcem doporučený keramický kondenzátor 10 nF (u signálu BAT) použitého budiče TJA1054. Chyba 31: Jak již bylo zmíněno u chyby č. 15 na str. 28, autor ve schématu zapojení komunikačních obvodů spojil výstupní signály (CAN – H, CAN – L) obou budičů paralelně, přičemž u budiče TJA1054 ještě prohodil návěští těchto signálů, čímž spojil signály CAN – H a CAN – L dohromady. Původní uvažovaná funkcionalita výběru napěťových úrovní sběrnice CAN tak zcela ztratila na významu, jelikož signály obou budičů se tímto spojením výstupních vodičů navzájem ruší a vysílání dat na sběrnici CAN či jejich příjem je tak zcela nemožné. 5V0

5V0

12V0_ISO5V0_ISO

5V0_ISO

5V0_ISO 12V0_ISO

Chyba 21a

C18 100nF Optocoupler 9 5 6 7 8

CAN1_RX_S2_LS

C20 100nF

NC

1 2 3 4

NC A C NC 6N137

VCC Ve Vo GND

Chyba 30 R46 1k chybí kondenzátor

R45 10k

R49

NC

390

CAN_low Driver 1 NC

NC

R53 390

Optocoupler 11 NC

CAN1_TX_S2_LS 390

NC C A NC

6N137

GND R57

GND Vo Ve VCC

4 3 2 1

CAN1_TX CAN1_RX

8 7 6 5

NC

Chyba 21b C22

1 2 3 4 5 6 7

INH BAT TXD GND RXD CANL NERR CANH NSTB Vcc EN RTL NWAKE RTH TJA1054

14 13 12 11 10 9 8

Chyba 31 CAN1H CAN1L R55 560

1

R43 390

2


R59 560


ESD diode 5 PESD2CAN

Chyba 29b

3

100nF

GND_ISO5V0

GND_ISO5V0

GND_ISO5V0

obr. 2.15: Schéma zapojení komunikačního obvodu CAN – Low speed (převzato z [7])

34


Tomáš Beck 2013

2.2 CANtron II v2.0 Po více než tří měsíčním bezúspěšném oživování měřicího zařízení CANtron II v1.0, navržené Ing. J. Hrdličkou a neustálém nalézání dalších chyb, se všechny tyto více či méně závažné chyby nepodařilo odstranit, proto na základě domluvy se současným vedoucím této diplomové práce, Ing. Kamilem Kosturikem, PhD. a Ing. Michalem Kubíkem, PhD. (tehdejším vedoucím DP Ing. J. Hrdličky), bylo veškeré další oživování CANtronu II v1.0 ukončeno a přešlo se k úplně novému návrhu tohoto měřicího zařízení. 2.2.1 Návrh CANtron II v2.0 Tato kapitola se zabývá zcela novým návrhem měřicího zařízení s pracovním názvem CANtron II v2.0. Vlastní návrh jednotlivých schémat zapojení měřicího zařízení je založen na prostudování technických dokumentací (datasheets) a aplikačních poznámek (application notes) vydaných výrobcem použitých integrovaných obvodů. V návrhu jsou také zohledněny chyby nalezené v CANtron II v1.0, které jsou popsány v kapitole 2.1 CANtron II v1.0 – oživování DPS, popis chyb v návrhu a dále jsou u zařízení inovovány některé stávající funkcionality oproti původní verzi navržené Ing. J. Hrdličkou. Samotný návrh schémat zapojení a DPS probíhal v licencovaném komplexním návrhovém prostředí Altium Designer v10.7. Možnost pracovat v tomto prostředí a studentskou licenci, poskytlo RICE (regionální inovační centrum elektrotechniky). Celkové schéma zapojení CANtron II v2.0 je v projektu Altium Designer v10.7 pro přehlednost rozděleno pomocí hierarchické struktury, která je tvořena devíti schematickými listy podle obvodových řešení jednotlivých bloků (napájecí zdroj, MCU, USB rozhraní, level shiftery, signalizace, komunikační moduly, terminace sběrnic, konektory a header konektory) a nadřazeným hlavním Top_schéma listem. Výstupem schematických listů jsou tzv. porty s příznačnými názvy signálů a vzájemná provázanost těchto portů je zajištěna propojením pomocí signálových návěští v Top_schéma listu. Dále je v projektu vytvořen hlavní soubor CANtron_II.PcbDoc s návrhem DPS, který obsahuje dvě samostatné části DPS a tyto části jsou jednotlivě překopírovány (čistě pro výrobní účely) do dalších dvou souborů s názvy CANtron_II – modul 1.PcbDoc a CANtron_II – modul 2.PcbDoc. Součástí projektu je také vytvořená integrovaná knihovna všech použitých součástek, které byly v návrhu zařízení použity a dále odděleně vygenerované výstupní soubory GERBER (obou částí zařízení) potřebné pro výrobu DPS, která byla vyrobena firmou PragoBoard s.r.o. prototypovou výrobou – POOL servis. 35


Tomáš Beck 2013

2.2.2 Osazení a oživení DPS Po dodání DPS firmou PragoBoard s.r.o. následovalo její ruční osazení, zapájení a oživení. Osazování DPS probíhalo blokově, nikoliv najednou, a to z důvodu zabránění případných rozsáhlejších chyb při samotném oživování zařízení. Systém osazování byl tedy totožný se systémem rozdělení jednotlivých bloků schémat v projektu vytvořeném v návrhovém prostředí Altium Designer v10.7. Nejprve byl osazen napájecí zdroj, poté byla osciloskopicky ověřena jeho správná funkce, dále byl osazen blok MCU, ověřeny jeho funkce atd. Ověření jednotlivých funkcionalit a periferií měřicího zařízení CANtron II v2.0 probíhalo pomocí předem připravených testovacích sekvencí, které byly postupně nahrávány do MCU. Testovací sekvence byly napsány jazykem “C“ ve vývojovém programovém prostředí Atollic TrueSTUDIO for ARM Lite v3.3.0. od firmy Atollic Inc. a následně v MCU odladěny pomocí integrovaného ladícího nástroje v Atollic TrueSTUDIO. Komunikace mezi MCU a debuggrem probíhala skrze protokol ST – LINK V2 a programovací rozhraní SWD. Při oživování DPS byly zjištěny tři drobné chyby způsobené nevhodným návrhem ve schéma zapojení: Chyba 1: Při návrhu bloku schéma zapojení Level Shifterů byly pro převod napěťových úrovní digitálních vstupů (12 V) na nižší napěťovou úroveň (3,3 V) pro vstupní bránu MCU použity integrované obvody MC14504BDG, u nichž bylo opomenuto ošetření CMOS vstupů pomocí Pull – down rezistorů o hodnotě 100 kΩ. Řešení: Chyba byla odstraněna a Pull – down rezistory byly do obvodu vhodně dodány. Chyba 2: Ve schématu zapojení zajišťující přepínatelnou terminaci sběrnice CAN byl nevhodně zapojen signál SPLIT (VREF) použitého CAN – HS budiče TJA1050, který svou funkcí při nastavení CAN – LS komunikace způsoboval konflikt v buzení sběrnicových signálu patřičným budičem TJA1054. Řešení: Tato chyba byla vyřešena odpojením pinu SPLIT CAN – HS budiče TJA1050 od terminace sběrnice CAN, tudíž budič bude v obvodu pracovat bez možnosti funkce SPLIT, která však nebude mít zásadní vliv na správnou činnost budiče. Řešení chyby ve smyslu zachování funkce SPLIT u budiče TJA1050 s sebou nese rozsáhlejší zásah do změny návrhu postižené části obvodu.

36


Tomáš Beck 2013

Chyba 3: Jednou z uvažovaných funkcionalit při návrhu zařízení byla možnost samostatného izolovaného napájení CANtronu II v2.0 z rozhraní USB. Stejně tak jako u zařízení CANtron II v1.0 byl ve schématu zapojení této periferie použit USB izolátor ADuM4160, u kterého se při oživování zařízení zjistilo, že tuto funkci nepodporuje. Řešení: Pro oživování zařízení a možnosti napájení zařízení z rozhraní USB byl dočasně vytvořen bypass napájecí části USB izolátoru, který tímto výše zmíněnou funkcionalitu sice umožňuje, ale napájené zařízení již není galvanicky odděleno od rozhraní USB. Řešení se zachováním kompletně galvanicky odděleného zařízení od USB rozhraní vyžaduje nahrazení dočasného bypassu galvanicky odděleným DC – DC měničem 5 V / 5V, např. typem IL0505S od firmy XP Power. Na základě uvedených řešení výše popsaných chyb byly tyto závady opraveny i v původním návrhu DPS CANtron II v2.0. 2.2.3 Blokové schéma Jak již bylo uvedeno v kapitole 2.2.1 na str. 35, celkové schéma zapojení bylo při návrhu zařízení rozděleno do několika hlavních bloků, jejichž provázání je zobrazeno na obr. 2.21 na straně 43. V následujících kapitolách jsou tyto jednotlivé bloky blíže specifikovány a dále jsou uvedeny typy integrovaných obvodů použitých v dané oblasti. 2.2.4 Napájecí zdroj Blok stejnosměrného zdroje napětí je tvořen několika integrovanými obvody, jejichž výstupem jsou napětí o hodnotách 12 V, 5 V, 3,3 V a galvanicky oddělená napětí 12V a 5 V potřebná pro napájení určitých částí obvodů měřicího zařízení. Předpokládané vstupní napětí zdroje pohybující se mezi 12 – 16 V (z palubní sítě automobilu) je přivedeno z 15 pinového konektoru CANON 15 a je možné ho spínat hlavním vypínačem s aretací. Vstup zdroje je vybaven nadproudovou ochranou (SMD nevratná tavná pojistka Imax = 1 A) a ochranou proti přepólování (Schottky dioda SK24A, VF = 0,35 V). Vstupní napětí je přivedeno do spínaného step – down napěťového regulátoru (SDVR) LM2676S-5.0 s konst. výstupním napětím Uout = 5V a maximálním výstupním proudem Iout

max

= 3 A. Toto napětí je dále přivedeno do LDO regulátoru

MCP1727-3302E-SN s výstupním napětím Uout = 3,3 V a Iout

max

= 1,5 A. Tento LDO

regulátor slouží k napájení MCU a jeho periferií a v případě potřeby je možné jej uvést do režimu Shut – down pomocí jumperu (zkratovací můstek). Ve zdroji jsou také použity

37


Tomáš Beck 2013

galvanicky oddělené DC – DC měniče IL0505S (5 V / 5 V) a IL0512S (5 V / 12 V) od firmy XP Power s výstupní zatížitelností Pout = 2 W, které slouží pro napájení galvanicky oddělených komunikačních obvodů. Přítomnost napětí v jednotlivých napájecích větvích měřicího zařízení je signalizována LED diodami příslušné barvy (3,3 V – oranžová, 5 V – zelená, 12 V – červená).

obr. 2.16: Blokové schéma napájecího zdroje 2.2.5 Blok MCU Jádrem měřicího zařízení CANtron II v2.0 je mikrokontroler STM32F207VGT6 od firmy ST Microelectronics založený na 32bitové platformě ARM Cortex M3. Základní charakteristika STM32F207VGT6:  Pouzdro LQFP100

 SWD a JTAG rozhraní

 Jádro ARM 32-bit Cortex M3 s adaptivním real - time akcelerátorem

 5 x 16-bit GPIO porty (A, B, C, D, E)

 1 MB Flash

 3 x I2C

 Taktovací frekvence do 120MHz

 4 x USART, 2 x UART

 Výkon 150 DMIPS, 1.25 DMIPS / MHz

 3 x SPI, 2 x I2S

 128 + 4 kB SRAM

 2 x CAN

 Paralelní LCD rozhraní

 USB 2.0 fullspeed (OTG)

 Interní 16 MHz RC oscilátor

 Ethernet

 3 x 12-bit AD převodník

 8 až 14 bitové paralelní video rozhraní (do 48 MB / s)

 2 x 12-bit DA převodník

 CRC jednotka (96-bit uniq ID)

 16 kanálů DMA

 Analogový generátor náhodného čísla (32 bitové číslo)

 12 x 16-bit a 2 x 32-bit čítač / časovač

38


Tomáš Beck 2013

MCU je napájeno z výše uvedeného LDO regulátoru s výstupním napětím Uout = 3,3 V, jelikož pro své funkce a periferie využívá 3,3 V logiku, ale vstupy GPIO bran umožňují rovněž přivedení 5 V (TTL) logiky. Frekvence jádra mikrokontroleru je zajištěna externím keramickým rezonátorem o kmitočtu 16 MHz a pro případnou aplikaci MCU v reálném

čase

byl

k

CLK

bráně

přidán

keramický

rezonátor

s kmitočtem

32,768 kHz. Na obr. 2.17 je zobrazeno principiální schéma využitých periferií MCU v měřicím zařízení.

obr. 2.17: Principiální schéma využitých periferií MCU 2.2.6 blok HW konfigurace MCU Hardwarová konfigurace představuje fyzická nastavení MCU do požadovaných stavů (pomocí tlačítek, přepínačů), vyvolávající požadované vnitřní či vnější funkce, které byly do MCU implementovány. Možnost naprogramování řídicího firmware do MCU zajišťují programovací rozhraní JTAG (20 pinový header konektor pro architektury ARM) nebo ISP rozhraní

SWD

(4 pinový header konektor), ke kterému je nutné použít programátor s implementovaným protokolem ST – LINK V2. Zejména pro ladící účely a navození počátečního stavu (startovacího vektoru) je MCU opatřeno externím resetovacím tlačítkem, které však nemá pro aplikaci zařízení v reálném provozu své uplatnění. Systémový reset MCU může být taktéž vyvolán změnou zavedeného stavového signálu MODUL_connect. Tento signál byl v návrhu zařízení zaveden, aby zajistil rekonfiguraci (reboot) MCU při připojení / odpojení odnímatelného komunikačního modulu. Tato funkce však musí být v MCU uživatelsky naprogramována.

39


Tomáš Beck 2013

Dále je v návrhu zařízení implementována funkce tzv. „bootování“ neboli výběr zaváděcího programu při startu či resetu MCU. Nastavením bootovacích DIP přepínačů (BOOT0, BOOT1) je možné nahrát program z vnitřní paměti MCU, hlavní programové paměti FLASH nebo implementované paměti SRAM. Pro hardwarově konfigurovatelné funkce jsou ke GPIO bráně MCU připojeny dva programovatelné DIP přepínače, které v uvažované aplikaci zařízení slouží pro výběr komunikačních obvodů sběrnice CAN, resp. pro výběr budiče sběrnice CAN High speed, CAN Low speed. Vstupní 8 kanálový digitální signál s napěťovými úrovněmi log “1” = 12 V, log “0” = 0 V je před přivedením na vstup brány GPIO MCU napěťově snížen, z 12V na 3,3V logiku, pomocí dvou 6 kanálových jednocestných snižovačů napětí MC14504BDG

s hardwarově

volitelným

výběrem

technologie

CMOS

či

TTL

(v tomto případě zvolena technologie CMOS). Aktivita vstupních dat (logických úrovní) je signalizována pomocí LED diod, dále zařízení umožňuje LED signalizaci HW konfigurace přepínačů, komunikačních módů, procesů, fází programu či jiných volitelných stavů. Pomocí tzv. jumperů je možné zvolit mezi funkcí signalizace LED či ze 4 bitů vstupní / výstupní brány GPIO MCU.

obr. 2.18: blok HW konfigurace MCU 40


Tomáš Beck 2013

2.2.7 Blok komunikace s PC Komunikace mezi MCU a PC je zajištěna USB rozhraním (OTG / USB 2.0 full speed) skrze konektor USB mini B umístěném na měřicím zařízení. USB rozhraní je chráněno před případným rušením komunikace pomocí USB izolátoru ADuM4160 od firmy Analog Devices, který zajišťuje galvanické oddělení mezi zařízením a PC. Pomocí grafického uživatelského rozhraní (GUI) v PC bude možné konfigurovat parametry zpráv (formát rámce CAN, datový balík, komunikační rychlost…), vysílaných na sběrnici CAN, LIN, generované v zařízení aktivitou digitálních vstupů na konektoru CANON 15. Dále zde bude možné nastavit režim vysílání zpráv (single mode, dual mode, different mode) či výběr módu sběrnice CAN (CAN High speed, CAN Low speed) nebo nastavení terminace obou sběrnic podle umístění měřicího zařízení na sběrnici CAN či LIN (zařízení na konci sběrnice, zařízení uprostřed sběrnice). Tvorba grafického uživatelského rozhraní v PC pro zařízení CANtron II v2.0 je vhodným tématem k řešení budoucí bakalářské nebo diplomové práce.

obr. 2.19: blokové schéma komunikace mezi MCU a PC 2.2.8 Komunikační moduly CANtron II v2.0 je tvořen dvěma komunikačními moduly, z nichž jeden je umístěn na hlavní DPS společně s napájecím zdrojem a MCU a druhý komunikační modul je odnímatelný. Připojení odnímatelného modulu je zajištěno pomocí tří skupin header konektorů, z nichž dva zajišťují napájení (přímé a galv. oddělené) a jeden slouží pro přenos komunikačních a řídicích signálů mezi modulem a MCU. Moduly jsou tedy z důvodu zamezení rušení od napájecích, řídicích a komunikačních signálů kompletně galvanicky odděleny.

41


Tomáš Beck 2013

Na obr. 2.20 je zobrazeno blokové schéma jednoho z komunikačních modulů. Tento modul je dělen na tři části podle typu sběrnice, na kterou jsou zprávy vysílány: CAN High speed, CAN Low speed a LIN. Komunikační signály mezi MCU a modulem jsou přenášeny optočleny 6N137 a řídicí signály (terminace, CAN speed select) optočleny KB-817-B. Napájení budičů sběrnic zajišťují izolované DC – DC měniče, které byly popsány v kapitole 2.2.4 na straně 37. Jelikož použité budiče sběrnice CAN – HS TJA1050 a CAN – LS TJA1054 využívají pro komunikaci 5V logiku a MCU využívá 3,3V logiku, musí být komunikační signály před vstupem do budičů sběrnice napěťově uzpůsobeny pomocí 6 kanálového obousměrného obvodu pro úpravu napětí MAX3002 od firmy Maxim Integrated. Pro budič sběrnice LIN TJA1020 není potřeba tyto signály upravovat. U komunikace po sběrnici CAN je výběr budiče CAN – HS, CAN – LS a příslušných budících signálů řešen kombinací elektronického analogového signálového přepínače STG719 (na straně MCU) a dvoukontaktního přepínacího relé RELEMP-05 od firmy Forward Relays (na straně modulu). Tyto přepínače jsou paralelně ovládány řídicím signálem CAN_speed_select z MCU. Jak již bylo v kapitole 2.2.7 uvedeno, CANtron II v2.0 dále umožňuje funkci softwarového přepínání terminace sběrnice CAN a LIN podle umístění zařízení na sběrnici (na konci či uprostřed). Terminační rezistory jsou k budičům sběrnic CAN a LIN připínány rovněž pomocí relé RELEMP-05, které je u sběrnice CAN spínáno řídicím signálem CAN_term a u sběrnice LIN signálem LIN_term. Budicí signály sběrnice CAN (CAN_L, CAN_H) a sběrnice LIN (LIN) jsou před výstupním konektorem CANON9 chráněny proti ESD rušení ze sběrnice pomocí transilů PESD2CAN a PESD1LIN od firmy NXP.

obr. 2.20: blokové schéma komunikačních modulů 1, 2 42


Tomáš Beck 2013

Pro přehlednost vzájemného provázání jednotlivých bloků je na obr. 2.21 zobrazeno celkové blokové schéma zapojení měřicího zařízení CANtron II v2.0

obr. 2.21: Celkové blokové schéma CANtron II v2.0 43


Tomáš Beck 2013

2.3 Specifikace, aplikační schéma CANtron II v2.0 Hlavní specifikace zařízení: 

měřicí zařízení pro vysílání zpráv na sběrnici CAN a LIN



řízení MCU s 32 bitovou platformou ARM Cortex M3



MCU s dvěma nezávislými perifériemi CAN a LIN (UART)



možnost testování firmware pomocí JTAG, SWD



možnost přivedení napájecího napětí v rozsahu 8 – 18 V



8 bitová digitální vstupní data s logikou v rozsahu 8 – 18 V (nepřesahující velikost napájecího napětí)



konfigurovatelná 4 bitová vstupní / výstupní brána (IN – OUT / LED signalizace)



2 x komunikační modul pro sběrnici CAN a LIN o možnost odejmutí / připojení komunikačního modulu



Možnost výběru napěťových úrovní CAN High / Low speed komunikace (HW, PC)



LED signalizace napájení, stavů, procesů, fází programu, aktivity vstupů…



flexibilní zařízení s širokou škálou konfigurací



možnost PC konfigurace přes USB rozhraní: o parametrizace vysílaných zpráv CAN a LIN o nastavení terminace sběrnic o výběr komunikačního módu (single, dual, different)

Celkové aplikační schéma měřicího zařízení CANtron II v2.0 je zobrazeno na obr. 2.22.

CANtron II v2.0

obr. 2.22: Aplikační schéma CANtron II v2.0 44


Tomáš Beck 2013

2.4 Testovací firmware Pro oživení a ověření jednotlivých funkcionalit periferií měřicího zařízení CANtron II v2.0 byl ve vývojovém programovém prostředí Atollic TrueSTUDIO for ARM Lite v3.3.0. od firmy Atollic Inc. vytvořen testovací firmware napsaný v jazyce “C“. Testovací sekvence byly následně v MCU odladěny pomocí integrovaného ladícího nástroje ve vývojovém prostředí. Komunikace mezi MCU a debuggrem probíhala skrze protokol ST – LINK V2 a programovací rozhraní SWD. Funkce firmware: 

každé změně bitu 8 kanálového digitálního vstupu je přiřazena změna příslušného bajtu datové části standardního rámce CAN, který je zasílán na sběrnici



funkce DIP přepínačů 1, 2 na DPS je naprogramována pro volbu napěťové úrovně a rychlosti vysílaných dat na sběrnici CAN: High speed (1000 kbit / s), Low speed (125 kbit / s). Aktuální volba režimu je signalizována příslušnou LED



na sběrnici LIN jsou vysílána přednastavená data



připojení / odpojení odnímatelného komunikačního modulu vyvolá systémový reset a inicializuje pouze dostupné periferie



běh programu v MCU je signalizován blikáním rezervních LED



v programu jsou řešeny funkce pro nastavení přenosové rychlosti sběrnice CAN a ovládání terminace sběrnic CAN a LIN

Složka projektu testovacího firmware je součástí příloh k diplomové práci na CD.

45


Tomáš Beck 2013

3 Závěr Dle zadání diplomové práce bylo hlavním cílem navrhnout měřicí zařízení, které bude vysílat zprávy na sběrnici CAN s nastavitelným obsahem zpráv skrze rozhraní USB a parametrizovatelnými analogovými a digitálními vstupy. V úvodu práce uvádím, že na základě domluvy s vedoucím této práce, Ing. Kamilem Kosturikem, PhD. a konzultantem práce Ing. Václavem Aubrechtem (zástupce zadávající firmy), bylo zadání diplomové práce pozměněno. Novými cíly práce tedy byly oživení hardwaru a vývoj řídicího firmware měřicího zařízení, které bylo předmětem loňské diplomové práce Ing. Jakuba Hrdličky. Na předloženém hardware bylo při oživovacím procesu nalezeno mnoho závažných chyb znemožňující jeho správnou funkci, proto bylo přikročeno ke zcela novému návrhu tohoto zařízení a vývoji testovacího firmware pro ověření jeho uvažovaných funkcionalit. Byl tedy realizován nový hardware s rozhraním CAN, LIN a USB s rozšířenými funkcemi zařízení oproti hardware Ing. J. Hrdličky. Tento hardware byl kompletně oživen pomocí testovacího firmware. Během testování byly nalezeny tři drobné chyby v návrhu, týkající se neošetření vstupů obvodu pro snížení napětí vstupních dat s technologií CMOS, nevhodného zapojení funkce SPLIT CAN High speed budiče a nevhodného zapojení USB izolátoru, který neumožňoval napájení zařízení s rozhraní USB. V příloze na CD je uveden současný projekt spolu s jeho revizí návrhového prostředí Altium Designer v10.7, ve kterém jsou zmíněné chyby opraveny. Všechny nalezené chyby byly rovněž opraveny i na DPS a byla zajištěna plná funkčnost hardware. Vhodným předmětem k dalšímu řešení, navazující na tuto diplomovou práci, je vývoj řídicího firmware a vývoj software – grafického uživatelského rozhraní pro PC umožňující parametrizaci vysílaných zpráv na sběrnici a konfigurovatelnost nastavení měřicího zařízení.

46


Tomáš Beck 2013

Použitá literatura [1]

POLÁK, Karel. Sběrnice CAN. CAN - Controller Area Network [online]. 16.6.2003, [cit. 2013-04-30]. Dostupné z: http://www.elektrorevue.cz/clanky/03021/index.html

[2]

KOSTURIK, Kamil. CAN BUS [intranet]. v Plzni, 2013 [cit. 2013-04-30]. Dostupné z: https://portal.zcu.cz/wps/PA_Courseware/DownloadDokumentu?id=79883

[3]

TEDIA: Obecné vlastnosti komunikačních prostředků. TEDIA SPOL. S.R.O. TEDIA [online]. 2013, 4.2.2013 [cit. 2013-04-30]. Dostupné z: http://www.tedia.cz/podpora/komunikace-obecne-vlastnosti.html

[4]

NXP. PESD2CAN: CAN bus ESD protection diode [online]. Rev. 2 — 27 September 2012. 2012 [cit. 2013-04-30]. Dostupné z: http://www.nxp.com/documents/data_sheet/PESD2CAN.pdf

[5]

NXP. PESD1LIN: LIN-bus ESD protection diode [online]. Rev. 3 — 31 May 2011. 2011 [cit. 2013-04-30]. Dostupné z: http://www.nxp.com/documents/data_sheet/PESD1LIN.pdf

[6]

SEMTECH. Protection Design Guide for Telecom & Networking Interfaces [online]. 2011 [cit. 2013-04-30]. Dostupné z: http://www.semtech.com/images/mediacenter/collateral/telecom-tvs-design-guideus.pdf

[7]

HRDLIČKA, Jakub. Zařízení pro vysílání zpráv na sběrnici CAN. v Plzni, 2012. Diplomová práce. Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta elektrotechnická, Katedra aplikované elektroniky a telekomunikací. Vedoucí práce Ing. Michal Kubík, PhD.

[8]

ST MICROELECTRONICS. Description [online]. 2012 [cit. 2013-04-30]. Dostupné z: http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/ datasheet/CD00237391.pdf

[9]

KOSTURIK, Kamil. LIN BUS [intranet]. v Plzni, 2013 [cit. 2013-04-30]. 47


Tomáš Beck 2013

Seznam použitých obrázků a tabulek obr. 1.1: Principiální schéma sběrnice CAN........................................................................ 13 obr. 1.2: Napěťové úrovně budičů sběrnice CAN – LS a CAN – HS ................................. 14 obr. 1.3 Rámec LIN zprávy ................................................................................................. 17 obr. 1.4: Průběh testovacího proudu .................................................................................... 20 obr. 1.5: Dioda PESD2CAN a její vnitřní zapojení ............................................................. 20 obr. 1.6: Doporučení zapojení ESD diody dle výrobce (převzato z [4]) ............................. 20 obr. 1.7: Dioda PESD1LIN .................................................................................................. 21 obr. 1.8: Doporučení zapojení ESD diody dle výrobce (převzato z [5]) ............................. 21 obr. 2.1: Schéma zapojení napájecího zdroje (převzato z [7])............................................. 23 obr. 2.2: Izolovaný DC – DC měnič 12V – 12V (převzato z [7]) ....................................... 24 obr. 2.3: Izolovaný DC – DC měnič 5V – 5V (převzato z [7]) ........................................... 24 obr. 2.4: Schéma zapojení hlavního vypínače a proudové pojistky (převzato z [7]) ........... 25 obr. 2.5: Zapojení MCU (převzato z [7]) ............................................................................. 27 obr. 2.6: Schéma zapojení CAN speed select a Boot select vypínačů (převzato z [7]) ....... 27 obr. 2.7: Schéma zapojení resetovacího obvodu (převzato z [7]) ........................................ 28 obr. 2.8: Schéma zapojení elektronických přepínačů (převzato z [7]) ................................ 29 obr. 2.9: Schéma zapojení převodníků napěťových úrovní (převzato z [7]) ....................... 29 obr. 2.10: Testování připojení 2. komunikačního modulu (převzato z [7]) ......................... 30 obr. 2.11: Konfigurace připojovacích konektorů komunikačních modulů (převzato z [7]) 31 obr. 2.12: Konfigurace napájecích konektorů komunikačních modulů (převzato z [7]) ..... 31 obr. 2.13: Schéma komunikačního obvodu sběrnice LIN (převzato z [7]).......................... 33 obr. 2.14: Schéma zapojení komunikačního obvodu CAN – High speed (převzato z [7]) . 34 obr. 2.15: Schéma zapojení komunikačního obvodu CAN – Low speed (převzato z [7]) .. 34 obr. 2.16: Blokové schéma napájecího zdroje ..................................................................... 38 obr. 2.17: Principiální schéma využitých periferií MCU..................................................... 39 obr. 2.18: blok HW konfigurace MCU ................................................................................ 40 obr. 2.19: blokové schéma komunikace mezi MCU a PC ................................................... 41 obr. 2.20: blokové schéma komunikačních modulů 1, 2 ..................................................... 42 obr. 2.21: Celkové blokové schéma CANtron II v2.0 ......................................................... 43 obr. 2.22: Aplikační schéma CANtron II v2.0 ..................................................................... 44 tab. 1.1: Úrovně napětí a proudů dle IEC 61000-4-2 (převzato z [6]) ................................. 19 48


Tomáš Beck 2013

Přílohy Příloha 1: Schéma zapojení CANtron II v2.0 ....................................................................... II Příloha 2: Výstupní soubory ............................................................................................ XVII Příloha 3: Seznam použitých součástek......................................................................... XXIII Příloha 4: obsah přiloženého CD: 

návrh DPS CANtron II v2.0 vytvořený v prostředí Altium Designer v10.7 obsahuje: o projekt návrhu DPS o vygenerovanou integrovanou knihovnu použitých součástek o výstupní soubory GERBER



seznam součástek ve formátu XLS



datasheety použitých součástek



diplomovou práci ve formátu PDF



testovací firmware vytvořený v Atollic TrueSTUDIO for ARM Lite v3.3.0.

I

TCK/SWCLK TMS/SWDIO TDI TDO/SWO nTRST NRST

D0_Input_12V D1_Input_12V D2_Input_12V D3_Input_12V D4_Input_12V D5_Input_12V D6_Input_12V D7_Input_12V

CAN2_SPLIT

CAN2_TX_LS_m2 CAN2_RX_S2_LS_m2

CAN2_TX_HS_m2 CAN2_RX_S1_HS_m2

CAN2_LS_H CAN2_LS_L

CAN2_HS_H CAN2_HS_L

CAN1_SPLIT

CAN1_TX_LS CAN1_RX_S2_LS

CAN1_TX_HS CAN1_RX_S1_HS

CAN1_LS_H CAN1_LS_L

CAN1_HS_H CAN1_HS_L

LED_CAN1_HS LED_CAN1_LS LED_CAN2_HS LED_CAN2_LS

LED1 LED2 LED3 LED4



U_konektory konektory.SchDoc

CAN_SPLIT

CAN_TX_LS CAN_RX_S2_LS

CAN_TX_HS CAN_RX_S1_HS

CAN_LS_H CAN_LS_L

CAN_HS_H CAN_HS_L

U_komunikacni_modul2 komunikacni_modul.SchDoc

CAN_SPLIT

CAN_TX_LS CAN_RX_S2_LS

CAN_TX_HS CAN_RX_S1_HS

CAN_LS_H CAN_LS_L

CAN_HS_H CAN_HS_L

U_komunikacni_modul1 komunikacni_modul.SchDoc


LED1 LED2 LED3 LED4


3V3 GND GND_ISO GND_ISO_m2

3V3 GND GND_ISO GND_ISO_m2



U_MCU MCU.SchDoc

3V3 GND

3V3 GND

LIN2_TX LIN2_RX

LIN1_TX LIN1_RX

CAN2_TX CAN2_RX

CAN1_TX CAN1_RX

12V0_not_fuse

12V0_LIN1 12V0_LIN2

LIN1 LIN2

CAN2H CAN2L

CAN1H CAN1L

12V0_LIN

LIN_term_R

LIN_TX LIN_RX

LIN

12V0_LIN

LIN_term_R

LIN_TX LIN_RX

LIN

VBUS D+ D-

MODUL_connect

LIN1_term LIN2_term

CAN1_term CAN2_term

CAN1_speed_sel CAN2_speed_sel

5V0 5V0_ISO 12V0_ISO GND GND_ISO



5V0_m2 5V0_ISO_m2 12V0_ISO_m2 GND_m2 GND_ISO_m2

12V0_not_fuse

12V0_LIN1 12V0_LIN2

LIN1 LIN2

CAN2H CAN2L

CAN1H CAN1L

12V0_LIN2

LIN2_term_R_m2

LIN2_TX_m2 LIN2_RX_m2

LIN2

12V0_LIN1

LIN1_term_R

LIN1_TX LIN1_RX

LIN1

V_BUS USB_DP USB_DM

MODUL_connect

LIN1_term LIN2_term

CAN1_term CAN2_term


LIN2_TX LIN2_RX

LIN1_TX LIN1_RX

CAN2_TX CAN2_RX

CAN1_TX CAN1_RX

3V3 5V0 12V0 GND

5V0_ISO 12V0_ISO GND_ISO

LIN_term LIN_term_R

LIN

LIN_term LIN_term_R

LIN




5V0_ISO 12V0_ISO GND_ISO

USB_VBUS 12V0_not_fuse 3V3 5V0 12V0 GND

D0_Output_3V3 D1_Output_3V3 D2_Output_3V3 D3_Output_3V3 D4_Output_3V3 D5_Output_3V3 D6_Output_3V3 D7_Output_3V3 CAN1_TX_HS CAN1_RX_S1_HS

U_napajeci_zdroj napajeci_zdroj.SchDoc

CAN_term CAN_speed_sel CAN_SPLIT

CAN_LS_H CAN_LS_L

CAN_HS_H CAN_HS_L

CAN_H CAN_L

U_terminace_sbernic2 terminace_sbernic.SchDoc

CAN_term CAN_speed_sel CAN_SPLIT

CAN_LS_H CAN_LS_L

CAN_HS_H CAN_HS_L

CAN_H CAN_L

U_terminace_sbernic1 terminace_sbernic.SchDoc

CAN2_TX CAN2_RX


CAN1_TX CAN1_RX


U_level_shiftery level_shiftery.SchDoc

USB_VBUS 12V0_not_fuse

CAN2_term_m2 CAN2_speed_sel_m2 CAN2_SPLIT

CAN2_LS_H CAN2_LS_L

CAN2_HS_H CAN2_HS_L

CAN2H CAN2L

CAN1_term CAN1_speed_sel CAN1_SPLIT

CAN1_LS_H CAN1_LS_L

CAN1_HS_H CAN1_HS_L

CAN1H CAN1L

CAN2_TX CAN2_RX


CAN1_TX CAN1_RX


3V3 5V0 12V0 GND 3V3 5V0 12V0 GND 3V3 5V0_ISO GND_ISO 3V3 5V0_ISO GND_ISO 3V3 5V0_ISO GND_ISO


LIN2_term_m2 LIN2_term_R_m2

LIN2

LIN1_term LIN1_term_R

LIN1





D0_Output_3V3 D1_Output_3V3 D2_Output_3V3 D3_Output_3V3 D4_Output_3V3 D5_Output_3V3 D6_Output_3V3 D7_Output_3V3 D0_Output_3V3 D1_Output_3V3 D2_Output_3V3 D3_Output_3V3 D4_Output_3V3 D5_Output_3V3 D6_Output_3V3 D7_Output_3V3

U_signalizace signalizace.SchDoc

MODUL_connect

CAN2_term

CAN2_speed_sel

LIN2_term



LIN2_TX LIN2_RX

U_header_konektor header_konektor.SchDoc

USB_DP USB_DM

MODUL_connect

CAN2_term

CAN2_speed_sel

LIN2_term



LIN2_TX LIN2_RX


D+ D-

LED1 LED2 LED3 LED4 LED_CAN1_HS LED_CAN1_LS LED_CAN2_HS LED_CAN2_LS


VBUS

CAN2_term_m2

CAN2_speed_sel_m2

LIN2_term_m2





LED1 LED2 LED3 LED4

USB_VBUS

V_BUS

CAN2_term_m2

CAN2_speed_sel_m2

LIN2_term_m2



USB_VBUS

U_USB USB.SchDoc

GND

3V3_m2 5V0_ISO_m2 GND_ISO_m2

3V3 5V0 5V0_ISO 12V0_ISO GND GND_ISO 5V0_ISO_m2 12V0_ISO_m2 GND_ISO_m2 3V3 5V0 5V0_ISO 12V0_ISO GND GND_ISO 5V0_ISO_m2 12V0_ISO_m2 GND_ISO_m2 3V3 5V0 5V0_ISO 12V0_ISO GND GND_ISO 3V3_m2 5V0_m2 5V0_ISO_m2 12V0_ISO_m2 GND_m2 GND_ISO_m2 3V3 5V0 5V0_ISO 12V0_ISO GND GND_ISO 3V3_m2 5V0_m2 5V0_ISO_m2 12V0_ISO_m2 GND_m2 GND_ISO_m2

II

GND

Měřicí zařízení s rozhraním CAN Tomáš Beck 2013

Příloha 1: Schéma zapojení CANtron II v2.0

1.1. Schéma zapojení – Top schéma

III

GND_ISO

GND_ISO

GND

12V0_ISO

GND

5V0_ISO

5V0_ISO

12V0

GND

12V0_ISO

5V0

3V3

5V0

GND

47nF

C4

100K

R1

12V0

3V3

GND

15uF

15uF

GND

C3

napajeni i

C2

12V0

8

4

7

2

NC

CB

FB

SW

5

3

6

1

C9 4.7uF

GND

5V0

LM2676S-5.0/NOPB

TAB

GND

ON/OFF

IN

U1

1

2

GND

-Vout

+Vout

napajeni i

GND

SK24A SMD

3

4

GND

C5

napajeni i

180uF/16V D3 SK24A SMD

napajeni D4 i

IL0512S

-Vin

+Vin

DC-DC1

10nF

12V0_not_fuse

NC

C1

33uH

napajeni i L1

napajeni i USB_VBUS

2 1

5

2

sw - aretace

SW1

GND_ISO

C10 1uF

12V0_ISO

GND

ShutDown 3.3V DO

P1

MBR0520LT1G

D2

MBR0520LT1G

D1

1 3 4 6

GND

NC

napajeni NC i

C11 4.7uF

GND

5V0

R2 100k

C6 4.7uF

GND

5V0

1

2

1

+Vin

FUSE 2A

F1

IL0505S

-Vin

GND

SENSE CDELAY

VOUT

2

-Vout

+Vout

100k

R3

12V0

3

4

MCP1727-3302E/SN

PWRGD

SHDN

VIN VIN

U2

DC-DC2

5

3

1 2

4

7 6

8

GND

GND_ISO

C12 4.7uF

5V0_ISO

GND

1nF

C8

C7

GND

15uF

3V3


1.2. Schéma zapojení – Napájecí zdroj

1 2

R8 10k

3V3

R10 10k

3V3

GND

GND

3V3

GND

GND

3V3

BOOT_0

BOOT_1

S2 SW DIP-2

R11 10k

S1 SW DIP-2

CAN2_speed_select

CAN1_speed_select

R9 10k

CAN1_RX CAN1_TX

CAN2_RX CAN2_TX

CAN1, CAN2

LIN1_TX LIN1_RX

USART1 [ LIN1 ]

LIN2_TX LIN2_RX

USART2 [ LIN2 ]

VBUS DD+

TDO/SWO nTRST

NRST

TMS/SWDIO TCK/SWCLK TDI

BOOT_1

BOOT_0

NRST

RTS-CTS

LIN2_term CAN2_term CAN2_speed_sel

RTS-CTS

35 36 37 89 90 91 92 93 95 96 47 48 51 52 53 54

94

14

23 24 25 26 29 30 31 32 67 68 69 70 71 72 76 77

PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PB8 PB9 PB10 PB11 PB12 PB13 PB14 PB15

BOOT0

NRST

PA0-WKUP PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PA8 PA9 PA10 PA11 PA12 PA13 PA14 PA15

NC NC NC

3V3

C18

C19

C20

C21

C22

C23

C24

C25

GND

GND

PC13-RTC_AF1 PC12 PC11 PC10 PC9 PC8 PC7 PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0

PC15-OSC32_OUT PC14-OSC32_IN

PD15 PD14 PD13 PD12 PD11 PD10 PD9 PD8 PD7 PD6 PD5 PD4 PD3 PD2 PD1 PD0

7 80 79 78 66 65 64 63 34 33 18 17 16 15

9 8

62 61 60 59 58 57 56 55 88 87 86 85 84 83 82 81

2,2uF

C26

2,2uF

C27

GND

GND

GND

LED_CAN1_HS LED_CAN2_HS

LED_CAN2_LS LED_CAN1_LS


GND

MODUL_connect CAN1_speed_sel CAN1_term LIN1_term

OSC32_OUT OSC32_IN

GND

GND

100nF 100nF 100nF 100nF 100nF 100nF 100nF 4,7uF GND

STM32F207VGT6

STM32F207VGT6

MCU1

GND

PE0 PE1 PE2 PE3 PE4 PE5 PE6 PE7 PE8 PE9 PE10 PE11 PE12 PE13 PE14 PE15

4 3

1 2

4 3

99 RFU

6 VBAT

21 VREF+

20 74 27 10 VSSA VSS_2 VSS_4 VSS_5

49 VCAP_1

22 50 75 100 28 11 19 VDDA VDD_1 VDD_2 VDD_3 VDD_4 VDD_5 VDD_12

CAN1_speed_select 97 CAN2_speed_select 98 1 LED1 2 LED2 3 LED3 4 LED4 5 38 39 40 41 42 43 44 45 46

VCAP_2

16MHz

R12 1k5

3V3

OSC32_IN

32.768kHz

OSC32_OUT

OSC_IN

OSC_OUT 1 2 1

Y2

Y1

GND

TL1

D5 1N4148

2

73 PH0-OSC_IN PH1-OSC_OUT

12 13

P-B1720E/SMD 4 2 3 1

IV OSC_IN OSC_OUT

GND

100nF

C17

C16

C15

C14

C13

NRST

GND

20pF

20pF

10pF

10pF


1.3. Schéma zapojení – MCU

V

GND

12V0

GND

12V0

GND

5V0

5V0

3V3

12V0

3V3

GND

C31 100nF

CAN2_speed_sel

GND

C30 100nF

CAN1_speed_sel

D7_Input_12V D6_Input_12V

3V3

3V3

13

3 5 7 9 11 14

1

1 2 3

IN VCC GND

MC14504BDG

VSS

Aout Bout Cout Dout Eout Fout

VDD

STG719

MODE

Ain Bin Cin Din Ein Fin

VCC

S2 D S1

S2 D S1

LV Switch 2

STG719

IN VCC GND

LV Switch 1

Level shifter 1

GND

GND

1 2 3

8

2 4 6 10 12 15

16

6 5 4

6 5 4

GND

3V3

20 19 18 17 16 15 14 13 12 11

CMOS_output logic

D7_Output_3V3 D6_Output_3V3 D1_Input_12V

D5_Input_12V D3_Input_12V

D4_Input_12V

GND

1

Level shifter 2 VDD

16

13

3 5 7 9 11 14

VSS

Aout Bout Cout Dout Eout Fout MC14504BDG

MODE

Ain Bin Cin Din Ein Fin

VCC

8

2 4 6 10 12 15

GND

3V3

CMOS_output logic

D3_Output_3V3

D4_Output_3V3

C28 100nF

GND

5V0

D1_Output_3V3

D5_Output_3V3

D2_Output_3V3

C29 100nF

GND

3V3

D0_Output_3V3

GND

CAN1_TX_LS CAN1_RX_S1_HS CAN1_TX_HS CAN2_RX_S2_LS CAN2_TX_LS CAN2_RX_S1_HS CAN2_TX_HS

CAN1_RX_S2_LS

100nF

12V0

GND

5V0

100nF

D2_Input_12V

I/O Vcc1 Vcc I/O Vcc2 I/O Vcc3 I/O Vcc4 I/O Vcc5 I/O Vcc6 I/O Vcc7 I/O Vcc8 GND

Bi-directional Level shifter

MAX3002

I/O VL1 VL I/O VL2 I/O VL3 I/O VL4 I/O VL5 I/O VL6 I/O VL7 I/O VL8 EN

C33

D0_Input_12V

3V3

3V3

Bi-level shifter 1

C32

GND

CAN2_RX

CAN2_TX

CAN1_TX

CAN1_RX

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10


1.4. Schéma zapojení – Level shifters, přepínače

VI

USB

USB

VBUS DD+ ID GND

GND_USB

6 7 8 9

USB_miniB

GND

1 2 3 4 5

100nF C36

C34

napajeni i

i napajeni

GND_USB

GND_USB 100nF 24R R22 24R R24

GND_USB

GND

1 2 3 4 5 6 7 8 ADUM4160

VBUS1 VBUS2 GND2 GND1 VDD2 VDD1 SPD PDEN PIN SPU DDUDDD+ UD+ GND2 GND1

USB_ISO 1 16 15 14 13 12 11 10 9

GND

R23 R25

100nF

C37

100nF

C35

GND 24R 24R

R21 24R

DD+

VBUS

USB_VBUS


1.5. Schéma zapojení – USB

12V0_ISO_m2

12V0_ISO_m2

GND_ISO_m2

5V0_ISO_m2

5V0_ISO_m2

GND_ISO_m2

GND_ISO

GND_ISO

GND

12V0_ISO

12V0_ISO

GND

5V0_ISO

napajeni i R4 100

napajeni i

GND

R115 220

R116 1k

R6 220

napajeni i

GND_ISO

napajeni i

GND_ISO

LED_CAN2_LS

LED_CAN2_HS

LED_CAN1_LS

LED_CAN1_HS

R7 1k

GND_ISO_m2 GND_ISO_m2

napajeni i

1 3 5 7

Header 4X2

2 4 6 8

P4

5V0_ISO_m2 12V0_ISO_m2

GND

napajeni i

12V0_ISO

LD19

LD17

LD15

LD13

LD12

LD10

napajeni i

5V0_ISO

LED 0805

LED 0805

LED 0805

LED 0805

LED 0805

LED 0805

napajeni i R5 220

5V0

100

R40

100

R38

100

R36

100

R34

100

R33

100

R31

napajeni i

3V3

GND

D0_Output_3V3

D1_Output_3V3

D2_Output_3V3

D3_Output_3V3

D4_Output_3V3

D5_Output_3V3

LED 0805 LD1

5V0

LED1 LED2 LED3 LED4

LED 0805 LD2

5V0

LD8

LD6

LED 0805 LD21

5V0_ISO

LED 0805

LED 0805

LED 0805 LD22

3V3

100

R29

100

R27

LED 0805 LD3

3V3

D6_Output_3V3

D7_Output_3V3

LED 0805

VII LD4

100

R41

100

R39

100

R37

100

R35

100

R32

100

R30

100

R28

100

R26

LED 0805

LED 0805

LED 0805

LED 0805

LED 0805

LED 0805

LED 0805

LED 0805

LD20

LD18

LD16

LD14

LD11

LD9

LD7

LD5

GND

GND


1.6. Schéma zapojení – signalizace

LIN_term

VIII 200

R77

3V3

2

1

KB817-B

OptoCoup 3

GND_ISO

3

4

R76 360

5V0_ISO

GND_ISO

Q3 BSS123

LIN

- +

RELEMP-05

3

8

10

Rele3

1N4148

D10

2

4

9

7

1

5V0_ISO

LIN_term_R


1.7. Schéma zapojení – terminace sběrnice LIN

CAN_term

GND_ISO

5V0_ISO

3V3

IX

200

R73

3V3

GND_ISO

5V0_ISO

3V3

2

1

KB817-B

OptoCoup 1

GND_ISO

3

4

R70 360

5V0_ISO

GND_ISO

Q1 BSS123

CAN_SPLIT

C49 47nF

GND_ISO

- +

RELEMP-05

3

8

10

Rele1

1N4148

D8

2

4

9

7

1

R72

R71

R69

R68

5V0_ISO

1k3

60

1k3

60

GND_ISO

C50 82pF

GND_ISO

C51 82pF

CAN_L

CAN_H

CAN_L

CAN_H


1.8. Schéma zapojení – terminace sběrnice CAN

CAN_speed_sel

X 200

R75

3V3

2

1

KB817-B

OptoCoup 2

GND_ISO

3

4

R74 360

5V0_ISO

GND_ISO

Q2 BSS123

CAN_L

CAN_H

- +

RELEMP-05

3

8

10

Rele2

1N4148

D9

2

4

9

7

1

5V0_ISO

CAN_HS_L

CAN_LS_L

CAN_HS_H

CAN_LS_H


1.9. Schéma zapojení – přepínač CAN – HS, CAN – LS

LIN_TX

LIN_RX

XI

330

R51

330

R47

5V0

100nF

GND

NC

NC

5V0

C38

R43 360

5V0

1 2 3 4

8 7 6 5 NC A C NC

6N137

NC A C NC

VCC Ve Vo GND

Optocoupler 2

6N137

VCC Ve Vo GND

Optocoupler 1 R48 330 LIN_RX

R44 2k2

C41 100nF

LIN_TX

R50 2k2

5V0_ISO 5V0_ISO

NC

NC

GND_ISO

8 7 6 5

1 2 3 4

5V0_ISO

R49

R45 10k

330

R46 10k

5V0_ISO

1 2 3 4 TJA1020

RXD NSLP NWAKE TXD

INH BAT LIN GND

LIN_Driver 1

12V0_LIN

NC

GND_ISO

8 7 6 5

C39 100nF

MBR0520LT1G

D7

C40 3.3nF

R42 1k

5V0

GND_ISO

GND

12V0_ISO

5V0_ISO

GND_ISO

GND

12V0_ISO

5V0_ISO

5V0

LIN

LIN_term_R

12V0_ISO

MBR0520LT1G

D6


1.10. Schéma zapojení – komunikační modul LIN

CAN_TX_HS

CAN_RX_S1_HS

XII

330

R56

330

R53

5V0

100nF

C42

R52 360

GND

NC

NC

5V0

1 2 3 4

8 7 6 5 NC A C NC

6N137

NC A C NC

VCC Ve Vo GND

Optocoupler 4

6N137

VCC Ve Vo GND

Optocoupler 3

330

R54

C44 100nF

R55 360

330

R57

CAN_RX

5V0_ISO 5V0_ISO

NC

NC

GND_ISO

8 7 6 5

1 2 3 4

5V0_ISO

CAN_TX

5V0

GND_ISO

1 2 3 4 C43 100nF

5V0_ISO

TJA1040

TXD GND VCC RXD

STB CANH CANL SPLIT

8 7 6 5

GND_ISO CAN High Driver 1

GND_ISO

GND_ISO

GND

12V0_ISO GND

5V0_ISO 12V0_ISO

5V0 5V0_ISO

5V0

CAN_SPLIT

CAN_HS_H CAN_HS_L


1.11. Schéma zapojení – komunikační modul CAN - High speed

CAN_TX_LS

CAN_RX_S2_LS

XIII

330

R66

330

R61

5V0

100nF

GND

NC

NC

5V0

C46

R60 360

5V0

1 2 3 4

8 7 6 5 NC A C NC

6N137

NC A C NC

VCC Ve Vo GND

Optocoupler 6

6N137

VCC Ve Vo GND

Optocoupler 5

330

R62

C48 100nF

R65 360

5V0_ISO 5V0_ISO

NC

NC

GND_ISO

8 7 6 5

1 2 3 4

5V0_ISO

330

R67

CAN_RX

R59 10k

NC

NC

12V0_ISO 5V0_ISO

1 2 3 4 5 6 7 TJA1054

INH BAT TXD GND RXD CANL NERR CANH NSTB VCC EN RTL NWAKE RTH

CAN low Driver 1 14 13 12 11 10 9 8

GND_ISO

5V0

10nF

C45

GND_ISO

GND

12V0_ISO

5V0_ISO

R64 560

R63 560

R58 1k

12V0_ISO

C47 100nF

5V0_ISO

GND_ISO

GND

12V0_ISO

5V0_ISO

5V0

CAN_LS_L CAN_LS_H

GND_ISO


1.12. Schéma zapojení – komunikační modul CAN - Low speed

CAN_TX

XIV

GND_ISO

GND_ISO

GND

12V0_ISO

12V0_ISO

GND

5V0_ISO

5V0

5V0

5V0_ISO

3V3

3V3

3V3

5V0_ISO_m2

5V0_m2

3V3_m2

MODUL_connect

GND_ISO_m2

GND_m2

12V0_ISO_m2

10k

R78

GND

GND_ISO_m2

GND_m2

12V0_ISO_m2

5V0_ISO_m2

5V0_m2

3V3_m2

CAN2_speed_sel CAN2_term LIN2_term

LIN2_RX LIN2_TX CAN2_TX_HS CAN2_RX_S1_HS CAN2_TX_LS CAN2_RX_S2_LS

Modul 1

Header 4

1 2 3 4

P9

Header 4

1 2 3 4

P5

Modul 1

Header 12

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

P6 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

GND_ISO

GND

5V0

Header 12

P7

12V0_ISO_m2 5V0_ISO_m2

GND_ISO_m2

i napajeni

GND_m2 napajeni i

Header 4

1 2 3 4

P10

Header 4

1 2 3 4

P8

Modul 2

i napajeni

3V3_m2

5V0_m2 napajeni i

CAN2_speed_sel_m2 CAN2_term_m2 LIN2_term_m2

LIN2_RX_m2 LIN2_TX_m2 CAN2_TX_HS_m2 CAN2_RX_S1_HS_m2 CAN2_TX_LS_m2 CAN2_RX_S2_LS_m2

12V0_ISO 5V0_ISO

Modul 2


1.13. Schéma zapojení – Header konektory

XV

GND_ISO_m2

GND_ISO

GND

3V3

TDO/SWO NRST

nTRST TDI TMS/SWDIO TCK/SWCLK

R15 10k

R14 10k

R13 10k

GND_ISO_m2

GND_ISO

GND

3V3

TMS/SWDIO TCK/SWCLK

R20 10k

3V3

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

10k 10k

R18 R19

Header 10X2 R17 10k

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

P2

JTAG

GND

NC

[6] (GND) Ground

[4] (GND) Ground

[2] (NC) No Connect

[14] (GND) Ground

[13] (TDO / SWO) Test Data Out / Serial Wire Output

[18] (GND) Ground [20] (GND) Ground

[17] (DBGRQ) Debug Request [19] (DBGACK) Debug Acknowledge

[16] (GND) Ground

[12] (GND) Ground

[11] (RTCK) Return Test Clock

[15] (nSRST) System Reset

[10] (GND) Ground

[9] (TCK / SWCLK) Test Clock / Serial Wire Clock

[7] (TMS / SWDIO) Test Mode Select / Serial Wire Data IO [8] (GND) Ground

[5] (TDI) Test Data In

[3] (nTRST) Test Reset

[1] (VTREF) Voltage Target Reference

JTAG - ARM 20 Pin Connector Pin Out


1.14. Schéma zapojení – JTAG

R16 10k

XVI

GND

17

16

8 15 7 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1

TMS/SWDIO

TCK/SWCLK

D Connector 15

J5

GND

3V3

12V0_not_fuse D7_Input_12V D6_Input_12V D5_Input_12V D4_Input_12V D3_Input_12V D2_Input_12V D1_Input_12V D0_Input_12V

Header 4

1 2 3 4

P3

SWD

GND

GND

1 - Vdd target 2 - SWCLK 3 - GND 4 - SWDIO

SWD interface

1 - GND 2 - INPUT D0 3 - INPUT D2 4 - INPUT D4 5 - INPUT D6 6 - 12V0 7 - 12V0 8 - GND 9 - GND 10 - INPUT D1 11 - INPUT D3 12 - INPUT D5 13 - INPUT D7 14 - 12V0 15 - GND GND_ISO

GND_ISO_m2


CAN2L CAN2H


1 1

D Connector 15 Male 2 2

CAN1L CAN1H

3 3

10

11

GND_ISO_m2

GND_ISO

GND_ISO_m2

10

1 - NC 2 - CAN low 3 - CAN GND 4 - NC 5 - NC 6 - NC 7 - CAN high 8 - NC 9 - NC

D Connector 9 Male

D Connector 9

J2

11

D Connector 9

J1

CANbus 1 6 2 7 3 8 4 9 5

GND_ISO

1 6 2 7 3 8 4 9 5

15V

24V

GND_ISO_m2

ESD diode 4 PESD1LIN

12V0_LIN2

LIN2

15V

24V

GND_ISO

ESD diode 3 PESD1LIN

12V0_LIN1

LIN1

2 1 2 1

CANbus

GND_ISO_m2

10

11

GND_ISO

GND_ISO_m2

10

1 - NC 2 - NC 3 - LIN GND 4 - NC 5 - NC 6 - NC 7 - LIN bus line 8 - NC 9 - Vbat

D Connector 9 Male

D Connector 9

J4

11

D Connector 9

J3

LINbus

LINbus 1 6 2 7 3 8 4 9 5

GND_ISO

1 6 2 7 3 8 4 9 5


1.15. Schéma zapojení – konektory


Tomáš Beck 2013

Příloha 2: Výstupní soubory 2.1. CANtron II v2.0 – Top layer (pohled shora)

XVII


Tomáš Beck 2013

2.2. CANtron II v2.0 – Bottom layer (pohled zdola)

XVIII


Tomáš Beck 2013

2.3. CANtron II v2.0 – 3D Top layer

XIX


Tomáš Beck 2013

2.4. CANtron II v2.0 – 3D Bottom layer

XX


Tomáš Beck 2013

2.5. CANtron II v2.0 – foto

XXI


Tomáš Beck 2013

XXII


Tomáš Beck 2013

Příloha 3: Seznam použitých součástek Typ

Název

Pouzdro

Počet

MAX3002

Bi-LS1

TSSOP20EP_L

1

TJA1040

CAN_H1, CAN_H2

SOIC127P600-8AL

2

TJA1054

CAN_L1, CAN_L2

SOP-14

2

MBR0520LT1G

D1, D2, D13, D14, D15, D16

SOD123

6

SK24A SMD

D3, D4

DSO-C2/Z6.7

2

1N4148

D5, D6, D7, D8, D9, D10, D11

MELF-D3513-1405

7

IL0512S

DC-DC1

SIP 4

1

IL0505S

DC-DC2

SIP 4

1

PESD2CAN

ESD1, ESD2

SOT23-3L

2

PESD1LIN

ESD3, ESD4

SOD-323

2

FUSE 1A

F1

FUSE

1

D Connector 9

J1, J2, J3, J4

DSUB1.385-2H9C

4

D Connector 15

J5

DSUB1.385-2H15A

1

Inductor

L1

AXIAL-0.4

1

LED 0805

LD1, LD2, LD3, LD4, LD5, LD6, LD7, LD8, LD9, LD10, LD11, LD12, LD13, LD14, LD15, LD16, LD17, LD18, LD19, LD20, LD21, LD22

0805 LED

22

TJA1020

LIN1, LIN2

SOIC127P600-8AL

2

MC14504BDG

LS1, LS2

SOIC16_L

2

STG719

LVS1, LVS2

SOT23-6_L

2

STM32F207VGT6

MCU1

LQFP100_M

1

6N137

OC1, OC2, OC3, OC4, OC5, OC6, OC7, OC8, OC9, OC10, OC11, OC12

SMD-8

12

KB817-B

OC13, OC14, OC15, OC16, OC17, OC18

SMD-4

6

ShutDown 3.3V DO

P1

HDR1X2

1

Header 10X2

P2

HDR2X10

1

Header 4

P3, P5, P8, P9, P10

HDR1X4

2

Header 4X2

P4

HDR2X4

1

Header 12

P6, P7

HDR1X12

1

BSS123

Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6

SOT23

6

RELEMP-05

Rele1, Rele2, Rele3, Rele4, Rele5, Rele6

DIL 10 RELEMP

6

SW DIP-2

S1, S2

DIP-4

2

hodnota

sw - aretace

SW1

SW-pin6

1

P-B1720E/SMD

TL 1

P-B1720E/SMD

1

LM2676S-5.0/NOPB

U1

TS7B_N

1

MCP1727-3302E/SN

U2

SOIC-SN8_N

1

USB_miniB

USB

USB/SM0.8-6H5

1

ADUM4160

USB_ISO1

SOIC127P1030-16BN

1

16MHz

Y1

HC49/4H_SMX

1

32.768kHz

Y2

91SMX

1

XXIII


Tomáš Beck 2013

Typ

Název

hodnota

Pouzdro

Počet

Cap Semi

C1, C51, C62

10nF

C0805

3

Cap Semi

C4, C38, C41

47nF

C0805

3

Cap Semi

C8

1nF

C0805

1

Cap Semi

C13, C14

10pF

C0805

2

Cap Semi

C15, C16

20pF

C0805

2

Cap Semi

C17, C18, C19, C20, C21, C22, C23, C24, C28, C29, C30, C31, C32, C33, C34, C35, C36, C37, C44, C45, C47, C48, C49, C50, C52, C53, C54, C55, C56, C58, C59, C60, C61, C63, C64, C65

100nF

C0805

36

Cap Semi

C25

4,7uF

C0805

1

Cap Semi

C26, C27

2,2uF

C0805

2

Cap Semi

C39, C40, C42, C43

82pF

C0805

4

Cap Semi

C46, C57

3.3nF

C0805

2

Cap Pol3

C7

15uF

TC3216-1206

1

Cap Pol1

C6, C9, C11, C12

4.7uF

TC3216-1206

4

Cap Pol1

C10

1uF

TC3216-1206

1

Cap Pol3

C2, C3

15uF

TC7343-2917

2

Cap Pol3

C5

180uF/16V

TC7343-2917

1

Res2

R1, R2, R3

100K

6-0805_L

3

Res2

R4, R26, R27, R28, R29, R30, R31, R32, R33, R34, R35, R36, R37, R38, R39, R40, R41

100

6-0805_L

17

Res2

R5, R6, R115

220

6-0805_L

3

Res2

R7, R63, R79, R89, R105, R116

1k

6-0805_L

6

Res2

R8, R9, R10, R11, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R42, R66, R67, R80, R92, R93, R106

10k

6-0805_L

19

Res2

R12

1k5

6-0805_L

1

Res2

R21, R22, R23, R24, R25

24R

6-0805_L

5

Res2

R43, R46, R53, R56

60

6-0805_L

4

Res2

R44, R47, R54, R57

1k3

6-0805_L

4

Res2

R45, R49, R51, R55, R59, R61, R64, R73, R76, R81, R86, R90, R99, R102, R107, R112

360

6-0805_L

16

Res2

R48, R50, R52, R58, R60, R62

200

6-0805_L

6

Res2

R65, R71, R91, R97

2k2

6-0805_L

4

Res2

R68, R69, R70, R72, R74, R75, R77, R78, R82, R83, R87, R88, R94, R95, R96, R98, R100, R101, R103, R104, R108, R109, R113, R114

330

6-0805_L

24

Res2

R84, R85, R110, R111

560

6-0805_L

4

XXIV

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA APLIKOVANÉ ELEKTRONIKY A TELEKOMUNIKACÍ DIPLOMOVÁ PRÁCE

Recommend Documents