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(yuǎn)程通訊節(jié)點(diǎn)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(diǎn)不能超過110個(gè),兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的最大通訊距離為10km,掛在總線上的節(jié)點(diǎn)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(diǎn),增加通信距離以及使具有不同波特率的節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行通信,本文提出了一種使用具有雙CAN口的MCU實(shí)現(xiàn)的CAN總線中繼器。該中繼器可大大縮短采用兩個(gè)CPU時(shí)CAN接口的主從狀態(tài)切換和CPU間通信的時(shí)間,提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
1 CAN中繼器硬件的設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計(jì)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(jìn)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(dú)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(gè)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(gè)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(diǎn)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(bào)文,經(jīng)過隔離后進(jìn)入主控CPU,主控CPU將收到的CAN報(bào)文進(jìn)行ID過濾后由另一個(gè)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(bào)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
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(shí)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(shí)現(xiàn)外部參數(shù)的設(shè)置,兩個(gè)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(shí)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(hù)作用。光電隔離部分采用最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)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(dú)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(dú)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(shí)現(xiàn)完全的電氣隔離。
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(gè)4位撥碼開關(guān)構(gòu)成,STM32F105通過讀取每個(gè)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(gè)CAN接口是通過內(nèi)部進(jìn)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(jì)
CAN中繼器的主要作用是對接收到的CAN報(bào)文進(jìn)行過濾轉(zhuǎn)發(fā)。中繼器的工作流程為:中繼器上電時(shí)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(gè)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(shí)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(kuò)展標(biāo)識符(ExtId)判斷該數(shù)據(jù)包是標(biāo)準(zhǔn)幀還是擴(kuò)展幀,同時(shí)將該ID值和ID過濾表中的值進(jìn)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(shí)先初始化時(shí)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(jī)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(shí)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(gè)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(shí)時(shí)性高等特點(diǎn),有一定的社會效益和廣泛的推廣價(jià)值。