基于STM32F105微控制器的雙CAN冗余設計方案

控制器局域網(wǎng)（ Contro llerA reaN etwo rk, CAN）是一種多主方式的串行通訊總線(xiàn)。CAN 總線(xiàn)具有較高的位速率， 很強的抗電磁干擾性， 完善的錯誤檢測機制， 在汽車(chē)、制造業(yè)以及航空工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應用 。由于船舶機艙環(huán)境極為惡劣， 且船舶航行過(guò)程中維修條件不如陸上， 對CAN 通信的可靠性要求很高， 采取雙CAN 冗余總線(xiàn)提高通信可靠性。本文提出一種基于STM32F105微控制器的雙CAN 冗余設計方案。

　　1 硬件平臺組成

　　STM32F105是STM icroe lectron ics公司推出的一款基于ARM Co rtex- M3內核的32位微控制器， 其內核是專(zhuān)門(mén)設計于滿(mǎn)足高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應用的嵌入式領(lǐng)域的要求。由于采用Thumb - 2指令集，與ARM7微控制器相比STM32運行速度最多可快35% 且代碼最多節省45% 。較高的主頻和代碼執行效率使系統在進(jìn)行CAN 總線(xiàn)數據收發(fā)的同時(shí)仍可運行總線(xiàn)冗余算法。STM32F105微控制器內部集成2路獨立的CAN 控制器， 控制器集成在芯片內部， 避免了總線(xiàn)外擴引入的干擾， 同時(shí)簡(jiǎn)化了電路設計、降低成本。

　　系統使用兩條完全獨立的CAN 總線(xiàn)， 兩個(gè)CAN 總線(xiàn)收發(fā)器和總線(xiàn)控制器， 實(shí)現物理層、數據鏈路層的全面冗余。在初始化時(shí)兩個(gè)控制器被同時(shí)激活， 一個(gè)作為主CAN, 另一個(gè)作為從CAN, 為主控制器的備份。正常運作時(shí)， 數據通過(guò)主CAN 優(yōu)先發(fā)送； 當主CAN 總線(xiàn)繁忙時(shí)， 從CAN 總線(xiàn)分擔部分通信流量； 而當主CAN 總線(xiàn)發(fā)生故障時(shí)， 數據轉移至從CAN 控制器傳輸， 反之亦然。在任一總線(xiàn)發(fā)生故障時(shí)，數據都能經(jīng)由另一條總線(xiàn)傳輸， 而當兩條總線(xiàn)都正常時(shí)， 使用兩總線(xiàn)同時(shí)傳輸， 增加約1倍的通信帶寬，這樣在保證了通信可靠性的同時(shí)提高了實(shí)時(shí)性。

　　CAN 總線(xiàn)接口電路設計如圖1所示， 使用T JA1050作為總線(xiàn)收發(fā)器， 它完成CAN 控制器與物理總線(xiàn)之間的電平轉換和差動(dòng)收發(fā)。盡管TJA1050本身具備一定的保護能力， 但其與總線(xiàn)接口部分還是采用一定的安全和抗干擾措施； T JA1050的CANH 和CANL與地之間并聯(lián)兩只10pF的小電容， 可以濾除總線(xiàn)上的高頻干擾； 另外， 為了增強CAN 總線(xiàn)節點(diǎn)的抗干擾能力， 總線(xiàn)輸入端與地之間分別接入一只瞬態(tài)抑制二極管， 當兩輸入與地之間出現瞬變干擾時(shí)， 收發(fā)器輸入端電壓被鉗位在安全范圍。

　　為防止總線(xiàn)過(guò)壓造成節點(diǎn)損壞， STM32F105內置CAN 控制器的數據收發(fā)引腳并不與TJA1050直接相連， 通過(guò)ADuM1201磁隔離器實(shí)現信號隔離傳輸。與傳統光耦隔離相比， 磁隔離簡(jiǎn)化了隔離電路設計， 并且磁隔離芯片的功耗很低， 大約相當于光耦隔離的1 /10。除了將CAN 數據信號隔離外，TJA1050T使用的電源和地也必須與系統完全隔離， 使用5V 隔離輸出的開(kāi)關(guān)電源模塊IB0505LS提供隔離電源。由于CAN 總線(xiàn)數據傳輸率較高， 為了提高信號質(zhì)量， 網(wǎng)絡(luò )拓撲結構應盡量設計成單線(xiàn)結構以避免信號反射， 同時(shí)終端連接120歐姆左右的匹配電阻。

圖1 CAN 接口電路設計