基于STM32F105微控制器的雙CAN冗余設計方案

控制器局域網（ Contro llerA reaN etwo rk, CAN）是一種多主方式的串行通訊總線。CAN 總線具有較高的位速率， 很強的抗電磁干擾性， 完善的錯誤檢測機制， 在汽車、制造業以及航空工業領域中得到廣泛應用 。由于船舶機艙環境極為惡劣， 且船舶航行過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， 其內核是專門設計于滿足高性能、低功耗、實時應用的嵌入式領域的要求。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行CAN 總線數據收發的同時仍可運行總線冗余算法。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， 避免了總線外擴引入的干擾， 同時簡化了電路設計、降低成本。

　　系統使用兩條完全獨立的CAN 總線， 兩個CAN 總線收發器和總線控制器， 實現物理層、數據鏈路層的全面冗余。在初始化時兩個控制器被同時激活， 一個作為主CAN, 另一個作為從CAN, 為主控制器的備份。正常運作時， 數據通過主CAN 優先發送； 當主CAN 總線繁忙時， 從CAN 總線分擔部分通信流量； 而當主CAN 總線發生故障時， 數據轉移至從CAN 控制器傳輸， 反之亦然。在任一總線發生故障時，數據都能經由另一條總線傳輸， 而當兩條總線都正常時， 使用兩總線同時傳輸， 增加約1倍的通信帶寬，這樣在保證了通信可靠性的同時提高了實時性。

　　CAN 總線接口電路設計如圖1所示， 使用T JA1050作為總線收發器， 它完成CAN 控制器與物理總線之間的電平轉換和差動收發。盡管TJA1050本身具備一定的保護能力， 但其與總線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與地之間并聯兩只10pF的小電容， 可以濾除總線上的高頻干擾； 另外， 為了增強CAN 總線節點的抗干擾能力， 總線輸入端與地之間分別接入一只瞬態抑制二極管， 當兩輸入與地之間出現瞬變干擾時， 收發器輸入端電壓被鉗位在安全范圍。

　　為防止總線過壓造成節點損壞， STM32F105內置CAN 控制器的數據收發引腳并不與TJA1050直接相連， 通過ADuM1201磁隔離器實現信號隔離傳輸。與傳統光耦隔離相比， 磁隔離簡化了隔離電路設計， 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 隔離輸出的開關電源模塊IB0505LS提供隔離電源。由于CAN 總線數據傳輸率較高， 為了提高信號質量， 網絡拓撲結構應盡量設計成單線結構以避免信號反射， 同時終端連接120歐姆左右的匹配電阻。

圖1 CAN 接口電路設計