基于STM32F1O5的CAN總線中繼器的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：提出了一種用MCU自帶的雙CAN接口實現(xiàn)CAN總線中繼器的設(shè)計方法，并給出了基于STM32F105的CAN總線中繼器的軟硬件實現(xiàn)方案。采用單CPU的設(shè)計可以很好地解決兩個CAN接口的主從狀態(tài)轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、實時性高等特點。
關(guān)鍵詞：CAN總線；中繼器：STM32F105；CAN控制器；

0 引言
    CAN總線最初是為了解決汽車內(nèi)部的信號傳輸問題而提出來的，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制單元、智能樓宇單元、礦業(yè)控制通訊、遠程通訊節(jié)點等控制領(lǐng)域。受到CAN收發(fā)器的閑宣，總線上掛接的節(jié)點不能超過110個，兩個節(jié)點間的最大通訊距離為10km，掛在總線上的節(jié)點要通訊必須具有相同的波特率。
    為了能夠在總線上掛接更多的節(jié)點，增加通信距離以及使具有不同波特率的節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)間進行通信，本文提出了一種使用具有雙CAN口的MCU實現(xiàn)的CAN總線中繼器。該中繼器可大大縮短采用兩個CPU時CAN接口的主從狀態(tài)切換和CPU間通信的時間，提高系統(tǒng)的實時性。

1 CAN中繼器硬件的設(shè)計
1．1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
    本文設(shè)計的CAN總線中繼器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。此中繼器以帶有雙CAN接口的STM32F105為核心，外圍電路主要由光電隔離電路、DC ／DC電路、CAN收發(fā)器、狀態(tài)顯示電路、波特率設(shè)置電路、ID設(shè)置電路和電源電路組成。光電隔離電路采用高速光耦將主控電路CPU的I／O口和收發(fā)器進行電氣隔離，可消除總線上的噪聲對主控電路的干擾；為了能使總線和主控電路完全的電氣隔離，用DC／DC隔離電源單獨對CAN收發(fā)器電路部分供電；狀態(tài)顯示電路指示當(dāng)前各個CAN口的收發(fā)狀態(tài)；波特率設(shè)置電路可分別設(shè)置兩個CAN接口的波特率；ID設(shè)置電路可根據(jù)用戶需求設(shè)置當(dāng)前CAN中繼器的ID；電源電路主要將輸入的9～36V的直流電壓轉(zhuǎn)成5V和3．3V兩種電壓，分別給DC／DC電路和主控電路供電。CAN總線A上的各節(jié)點發(fā)送的信息經(jīng)過CAN收發(fā)器將差分信號轉(zhuǎn)換為TTL電平的報文，經(jīng)過隔離后進入主控CPU，主控CPU將收到的CAN報文進行ID過濾后由另一個CAN接口經(jīng)過光電隔離傳送到另一路的CAN收發(fā)器，CAN收發(fā)器將TTL電平的報文轉(zhuǎn)換為差分信號后發(fā)送到CAN總線B上。
    圖1 CAN總線中繼器系統(tǒng)框圖

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1．2 STM32F105微控制器
    STM32F105是基于突破性的ARM V7．0內(nèi)核Cortex-M3的32位閃存微控制器，這是一款專為嵌入式應(yīng)用而開發(fā)的內(nèi)核。使用THUMB-2指令集，與ARM7TDMI相比，Cortex-M3內(nèi)核要快35％，代碼減少45％，大幅度提高了中斷響應(yīng)，而且所有新功能都同時具有業(yè)界最優(yōu)的功耗水平。STM32F105具有雙路CAN控制器，且內(nèi)置CAN收發(fā)FIFO，可以降低采用外置CAN控制器的成本以及提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。STM32F105具有較大容量的FLASH和RAM，以及豐富的外設(shè)，因此采用STM32F105作為主控電路的CPU可以方便地實現(xiàn)外部參數(shù)的設(shè)置，兩個CAN口收發(fā)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，工作狀態(tài)的顯示等。
1．3 CAN收發(fā)電路及光電隔離電路
    CAN收發(fā)器采用ST公司的L9616。終端匹配電阻采用跳線的方式供用戶安裝時自行選擇。在差分信號線上并上瞬態(tài)抑制二極管，可以對L9616的I／O起到保護作用。光電隔離部分采用最高轉(zhuǎn)換速率可達10Mbit／s的高速光耦6N137，電阻R2、R5起到限流作用。VCC5 1是由DC／DC隔離電源單獨產(chǎn)生的5V電壓。

1．4 電源電路及DC／DC電路
    用開關(guān)穩(wěn)壓集成芯片LM2576代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三段穩(wěn)壓器，僅需要極少的外圍器件即可構(gòu)成高效的穩(wěn)壓電路且不需加散熱片。LM2576產(chǎn)生的5V電壓供給光耦及DC／DC電路，主控CPU工作所需的3．3V電壓由LDO芯片LM1117-3．3產(chǎn)生。分別給每一路CAN收發(fā)電路單獨供電的DC／DC電路采用金升陽公司的BL0505-1W電源模塊，使總線和主控電路實現(xiàn)完全的電氣隔離。

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1．5 波特率設(shè)置及ID設(shè)置電路
    波特率設(shè)置電路由兩個4位撥碼開關(guān)構(gòu)成，STM32F105通過讀取每個波特率撥碼開關(guān)的編碼值確定每一路CAN接口的波特率，每一路CAN接口可以選擇16種不同的波特率。由于兩個CAN接口是通過內(nèi)部進行通信，因此它們的ID可設(shè)置為相同的值，ID設(shè)置電路由4位編碼的旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)構(gòu)成，ID的值為編碼開關(guān)的編碼值加上0x190。

2 CAN中繼器軟件的設(shè)計
    CAN中繼器的主要作用是對接收到的CAN報文進行過濾轉(zhuǎn)發(fā)。中繼器的工作流程為：中繼器上電時通過讀取波特率設(shè)置電路和ID設(shè)置電路的狀態(tài)，設(shè)置好波特率和ID值。初始化完成后，STM32F105通過監(jiān)聽兩個CAN接口的中斷完成數(shù)據(jù)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)CAN接口A收到總線上的數(shù)據(jù)包時產(chǎn)生中斷，中斷處理程序根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符(StdId)和擴展標(biāo)識符(ExtId)判斷該數(shù)據(jù)包是標(biāo)準(zhǔn)幀還是擴展幀，同時將該ID值和ID過濾表中的值進行對比，若符合過濾條件則不轉(zhuǎn)發(fā)，否則將數(shù)據(jù)包通過CAN接口B轉(zhuǎn)發(fā)出去。
    系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示。系統(tǒng)上電時先初始化時鐘和端口，根據(jù)配置波特率設(shè)置電路和ID設(shè)置電路的狀態(tài)配置好CAN接口的參數(shù)，打開CAN1和CAN2接口的接收中斷。系統(tǒng)在主程序中不斷掃描波特率設(shè)置電路和ID設(shè)置電路的狀態(tài)是否有變化，若當(dāng)前的讀取值和上次的讀取值不一樣，則重新配置波特率和ID。CAN數(shù)據(jù)包的存儲轉(zhuǎn)發(fā)在中斷服務(wù)程序中完成。為了避免系統(tǒng)若受到干擾死機后不能重啟，因此需打開STM32F105的內(nèi)置看門狗，看門狗的復(fù)位由芯片內(nèi)部的滴答時鐘每50ms喂狗一次。

3 結(jié)束語
    本文采用了采用雙CAN接口的高性能的ARM處理器STMF105作為CAN中繼器的主控CPU，可以很好地解決兩個CAN接口的主從狀態(tài)轉(zhuǎn)換，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、實時性高等特點，有一定的社會效益和廣泛的推廣價值。