STM32的CAN總線中繼器設計及應用

摘要：CAN中繼器是系統(tǒng)組網(wǎng)的關鍵，通過中繼器可以擴展節(jié)點的數(shù)量和實現(xiàn)不同波特率之間的通信。本文充分利用STM32F105內(nèi)部集成雙bx CAN控制器的特性，設計出一款基于STM32的單芯片CAN總線中繼器，并將其應用到齊瑪印花機上。實踐證明該方法有效可行，不僅實現(xiàn)了齊瑪印花機的改造，還降低了系統(tǒng)設備的成本。
關鍵詞：CAN總線；中繼器；STM32F105；齊瑪印花機

引言
CAN總線是一種多主方式的串行通信總線，具有優(yōu)良的穩(wěn)定性、實時性、遠程通信能力以及超強的硬件CRC糾錯等特性；CAN總線技術的應用不再僅限于汽車行業(yè)，而是擴展到了機械、紡織、控制等行業(yè)，并被公認為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。然而由于受制于CAN收發(fā)器，CAN總線通信距離和網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)被分別限制在10 km和110個之內(nèi)。但是在稍大型的CAN總線系統(tǒng)中，這往往是不夠的，這時就需要用CAN總線中繼器對CAN總線網(wǎng)絡進行擴展。
CAN中繼器是系統(tǒng)組網(wǎng)的關鍵技術設備之一，使用中繼器可以提高網(wǎng)絡設計的靈活性，并且通過中繼器還可以連接兩個不同波特率的CAN總線網(wǎng)絡；在兩個網(wǎng)絡間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，極大地擴展其使用范圍?；诖?，本文設計出一款基于STM32的CAN總線中繼器，并將其應用到齊瑪印花機上，完成圓網(wǎng)印花機通信系統(tǒng)的工程改造。

1 系統(tǒng)整體方案及硬件實現(xiàn)
以往的CAN中繼器設計大多采用MCU加CAN控制器的雙芯片或多芯片解決方案。例如，參考文獻使用1片MCU加2路CAN控制器的結構實現(xiàn)中繼器；參考文獻使用雙MCU結構設計CAN總線中繼器；參考文獻使用獨立雙CAN控制器作為2路CAN接口的控制器來設計CAN中繼器。上述方案電路復雜，MCU與CAN控制器通過外部總線連接，數(shù)據(jù)吞吐速度慢，整體可靠性也比較差。
意法半導體的STM32是以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的32位微處理器，主頻可高達72 MHz，內(nèi)置Flash和SRAM，其容量可分別高達512 KB和64 KB；內(nèi)部集成雙bxCAN控制器。它支持CAN協(xié)議V2．0A和V2．OB，波特率最高可達1 Mb／s，具有3個發(fā)送郵箱和2個3級深度的FIFO，能夠以最小的CPU負荷來高效處理大量收到的報文?；诖?，選用STM32F105作為主控制器，設計出一款基于STM32的CAN總線中繼器。其整體方案如
圖1所示。

由于STM32F105內(nèi)部集成了雙路CAN控制器，CAN中繼器的節(jié)點電路變得十分簡單，其硬件電路如圖2所示。

以往的節(jié)點電路，為了降低生產(chǎn)現(xiàn)場的抗干擾能力，保證中繼器工作的可靠性，都采用多重的抗干擾措施。例如，大部分的節(jié)點電路都是采用在CAN控制器和收發(fā)器之間加入光電隔離器6N137來實現(xiàn)CAN節(jié)點之間的電氣隔離，采用外加DC／DC電源模塊的方法切斷系統(tǒng)電源的干擾。同樣著眼于提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性的問題，本設計中一反常規(guī)的設計方法，直接采用廣州致遠電子有限公司生產(chǎn)的CAN通用收發(fā)器CTM8251。
CTM8251是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器芯片，該芯片內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收發(fā)器件，這些都被集成在不到3 cm2的芯片上。芯片的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，并且具有DC 2500 V的隔離功能。該芯片符合ISO11898標準，因此，它可以和其他遵從ISO11898標準的CAN收發(fā)器產(chǎn)品互操作。
實踐證明采用CTM8251不僅使系統(tǒng)真正與外接隔離開，抑制了干擾的串入提高系統(tǒng)的可靠性，簡化了CAN節(jié)點外圍電路的復雜度，還降低了成本，有較高的性價比。
圖2中120 Ω為可選用的終端匹配電阻，如果網(wǎng)絡中已經(jīng)有一對匹配電阻，則不使用該電阻。另外，電路中設計有相應的撥碼開關電路用于CAN網(wǎng)絡的ID標志和設置相應的波特率。