單線(xiàn)CAN總線(xiàn)隔離中繼器的設計

摘要：針對CAN總線(xiàn)在現場(chǎng)運用中存在的一些限制因素，及煤礦井下液壓支架電液控制系統CAN總線(xiàn)組網(wǎng)控制中存在的問(wèn)題，提出了一種基于意法半導體公司STM32單片機的單線(xiàn)CAN總線(xiàn)隔離中繼器。充分利用了STM32F105系列單片機內部集成的雙bxCAN控制器和飛思卡爾MC33879的單線(xiàn)CAN收發(fā)器的特性，構成了一種軟中繼器。實(shí)踐證明該設計有效解決了多點(diǎn)供電、網(wǎng)絡(luò )規模限制、電磁兼容性的問(wèn)題，對提高煤礦自動(dòng)化生產(chǎn)安全和效率具有較大意義。
關(guān)鍵詞：CAN總線(xiàn)；STM32；中繼器；MC33897

CAN總線(xiàn)是一種多主方式的串行通信總線(xiàn)，具有優(yōu)良的穩定性、實(shí)時(shí)性、遠程通信能力以及超強的硬件CRC糾錯等特性；CAN總線(xiàn)技術(shù)的應用不再僅限于汽車(chē)行業(yè)，而擴展到了能源、制造等行業(yè)，并被公認為是最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一；因此，CAN總線(xiàn)在煤礦各種系統中得到了越來(lái)越多的應用。由于受制于CAN收發(fā)器，CAN總線(xiàn)通信距離和網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)數被分別限制在10 km和110個(gè)節點(diǎn)之內。但在煤礦現場(chǎng)設備節點(diǎn)多、距離長(cháng)、供電系統復雜系統中需要用CAN總線(xiàn)中繼器對CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行擴展。
CAN中繼器是系統組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)設備之一，使用中繼器可以提高網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)數和通信距離，并且可以連接兩個(gè)不同波特率的CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，極大地擴展其使用范圍。針對于此設計出了一種基于STM32的單線(xiàn)CAN總線(xiàn)隔離中繼器，并將于此應用到液壓支架電液控制系統中，實(shí)現了液壓支架間、液壓支架與上位機監控系統的通信。

1 系統整體方案
CAN總線(xiàn)中繼器的設計方法一般2種：一種采用硬中繼方式，即只通過(guò)門(mén)電路與一些分立器件的組合來(lái)設計電路，但轉發(fā)效率不高；另一種采用軟中繼方式，即采用CPU來(lái)接收、轉發(fā)CAN總線(xiàn)兩側的數據，該方案雖然結構復雜，但轉發(fā)效率較高。兩側的數據經(jīng)過(guò)CPU接收后再轉發(fā)到另一側，軟中繼器的優(yōu)勢除了具有程序濾波和自診斷功能外，還能實(shí)現不同速率網(wǎng)段的連接，滿(mǎn)足實(shí)際應用要求；故本設計采用軟中繼的方式。

2 硬件設計
2．1 主控電路設計
為煤礦井下嚴酷的工業(yè)環(huán)境中設計的中繼器硬件電路除了需穩定可靠外，還需保證其低功耗特性。該中繼器的CPU采用ST公司基于Cort ex—M3內核的STM32F105系列單片機。STM32F105系列是專(zhuān)門(mén)針對快速和簡(jiǎn)單的編程而設計的，可用于高度集成與低功耗工業(yè)應用。STM32F105系列的工作頻率可達到72 MHz，相對于同等性能的單片機，功耗卻要小很多。另外，它還帶有具有在系統編程(ISP)的128KB片上FLASH程序存儲器，從而為數據存儲與固件升級等操作帶來(lái)極大的靈活性。STM32F105系列內部集成了2個(gè)獨立的CAN控制器，簡(jiǎn)化了中繼器的硬件電路設計；其CAN控制器的驗收濾波器具有快速的硬件搜索算法，支持大量的CAN標識符，并且允許11位和29位CAN標識符的明確定義與分組定義，簡(jiǎn)化了系統的軟件設計和運行負擔。
2．2 通信電路設計
CAN總線(xiàn)接口電路如圖2所示。圖中CAN收發(fā)器選用單線(xiàn)CAN收發(fā)器MC33897。它是飛思卡爾公司推出的用于由地構成回路的單總線(xiàn)CAN總線(xiàn)收發(fā)器芯片，主要用于多路傳輸應用方面。它為CAN總線(xiàn)控制器之間的數據傳輸提供一單線(xiàn)的物理接口，也就是說(shuō)相對傳統CAN總線(xiàn)收發(fā)器，它只需要一根信號線(xiàn)即可完成CAN總線(xiàn)通信，這為節點(diǎn)之間相互通信節省了通信成本，方便了系統的安裝和后期的維護。另外，CAN總線(xiàn)接口與CPU之間采用雙路磁耦ADuM1201隔離，相比于高速光耦，磁耦時(shí)延小且功耗小。該設計方法解決不同的支架間用不同電源供電信號不共地的傳輸問(wèn)題，并且提高抗干擾的能力。