基于STM32F1O5的CAN总线中继器的设计与实现

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0 引言

CAN总线最初是为了解决汽车内部的信号传输问题而提出来的，目前广泛应用于工业现场控制单元、智能楼宇单元、矿业控制通讯、远程通讯节点等控制领域。受到CAN收发器的闲宣，总线上挂接的节点不能超过110个，两个节点间的最大通讯距离为10km，挂在总线上的节点要通讯必须具有相同的波特率。
为了能够在总线上挂接更多的节点，增加通信距离以及使具有不同波特率的节点或网络间进行通信，本文提出了一种使用具有双CAN口的MCU实现的CAN总线中继器。该中继器可大大缩短采用两个CPU时CAN接口的主从状态切换和CPU间通信的时间，提高系统的实时性。
1 CAN中继器硬件的设计

1．1 系统的硬件结构

本文设计的CAN总线中继器的系统框图如图1所示。此中继器以带有双CAN接口的STM32F105为核心，外围电路主要由光电隔离电路、DC ／DC电路、CAN收发器、状态显示电路、波特率设置电路、ID设置电路和电源电路组成。光电隔离电路采用高速光耦将主控电路CPU的I／O口和收发器进行电气隔离，可消除总线上的噪声对主控电路的干扰；为了能使总线和主控电路完全的电气隔离，用DC／DC隔离电源单独对CAN收发器电路部分供电；状态显示电路指示当前各个CAN口的收发状态；波特率设置电路可分别设置两个CAN接口的波特率；ID设置电路可根据用户需求设置当前CAN中继器的ID；电源电路主要将输入的9～36V的直流电压转成5V和3．3V两种电压，分别给DC／DC电路和主控电路供电。CAN总线A上的各节点发送的信息经过CAN收发器将差分信号转换为TTL电平的报文，经过隔离后进入主控CPU，主控CPU将收到的CAN报文进行ID过滤后由另一个CAN接口经过光电隔离传送到另一路的CAN收发器，CAN收发器将TTL电平的报文转换为差分信号后发送到CAN总线B上。


图1 CAN总线中继器系统框图

1．2 STM32F105微控制器

STM32F105是基于突破性的ARM V7．0内核Cortex-M3的32位闪存微控制器，这是一款专为嵌入式应用而开发的内核。使用THUMB-2指令集，与ARM7TDMI相比，Cortex-M3内核要快35％，代码减少45％，大幅度提高了中断响应，而且所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平。STM32F105具有双路CAN控制器，且内置CAN收发FIFO，可以降低采用外置CAN控制器的成本以及提高系统的稳定性。STM32F105具有较大容量的FLASH和RAM，以及丰富的外设，因此采用STM32F105作为主控电路的CPU可以方便地实现外部参数的设置，两个CAN口收发状态的转换，工作状态的显示等。

1．3 CAN收发电路及光电隔离电路

CAN收发器采用ST公司的L9616。终端匹配电阻采用跳线的方式供用户安装时自行选择。在差分信号线上并上瞬态抑制二极管，可以对L9616的I／O起到保护作用。光电隔离部分采用最高转换速率可达10Mbit／s的高速光耦6N137，电阻R2、R5起到限流作用。VCC5 1是由DC／DC隔离电源单独产生的5V电压。



1．4 电源电路及DC／DC电路

用开关稳压集成芯片LM2576代替传统的三段稳压器，仅需要极少的外围器件即可构成高效的稳压电路且不需加散热片。LM2576产生的5V电压供给光耦及DC／DC电路，主控CPU工作所需的3．3V电压由LDO芯片LM1117-3．3产生。分别给每一路CAN收发电路单独供电的DC／DC电路采用金升阳公司的BL0505-1W电源模块，使总线和主控电路实现完全的电气隔离。


1．5 波特率设置及ID设置电路

波特率设置电路由两个4位拨码开关构成，STM32F105通过读取每个波特率拨码开关的编码值确定每一路CAN接口的波特率，每一路CAN接口可以选择16种不同的波特率。由于两个CAN接口是通过内部进行通信，因此它们的ID可设置为相同的值，ID设置电路由4位编码的旋转编码开关构成，ID的值为编码开关的编码值加上0x190。
2 CAN中继器软件的设计

CAN中继器的主要作用是对接收到的CAN报文进行过滤转发。中继器的工作流程为：中继器上电时通过读取波特率设置电路和ID设置电路的状态，设置好波特率和ID值。初始化完成后，STM32F105通过监听两个CAN接口的中断完成数据的存储转发。当CAN接口A收到总线上的数据包时产生中断，中断处理程序根据标准标识符(StdId)和扩展标识符(ExtId)判断该数据包是标准帧还是扩展帧，同时将该ID值和ID过滤表中的值进行对比，若符合过滤条件则不转发，否则将数据包通过CAN接口B转发出去。

系统的主程序流程如图4所示。系统上电时先初始化时钟和端口，根据配置波特率设置电路和ID设置电路的状态配置好CAN接口的参数，打开CAN1和CAN2接口的接收中断。系统在主程序中不断扫描波特率设置电路和ID设置电路的状态是否有变化，若当前的读取值和上次的读取值不一样，则重新配置波特率和ID。CAN数据包的存储转发在中断服务程序中完成。为了避免系统若受到干扰死机后不能重启，因此需打开STM32F105的内置看门狗，看门狗的复位由芯片内部的滴答时钟每50ms喂狗一次。
  
3 结束语

本文采用了采用双CAN接口的高性能的ARM处理器STMF105作为CAN中继器的主控CPU，可以很好地解决两个CAN接口的主从状态转换，具有结构简单、性能稳定、实时性高等特点，有一定的社会效益和广泛的推广价值。