基于CAN總線的智能節(jié)點的設(shè)計

金兆楠

(中北大學(xué)，山西太原030051)

現(xiàn)場總線是工業(yè)自動化領(lǐng)域中實現(xiàn)分布式控制而產(chǎn)生的工業(yè)級局域網(wǎng)，其可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點的實時數(shù)據(jù)通信，具有良好的可靠性，成為當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點。在眾多現(xiàn)場總線中，CAN總線以其高性能的特點，被廣泛應(yīng)用于航天航空、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測，醫(yī)療設(shè)備等多個方面?；贑AN總線的控制節(jié)點可實現(xiàn)對工業(yè)控制中多點的分布式控制，具有重要的研究價值。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

CAN總線采用了不同于傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)的構(gòu)架，由分散于工業(yè)控制中現(xiàn)場智能節(jié)點完成傳統(tǒng)系統(tǒng)中主機的常規(guī)測試與控制。因此基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)的主機不必監(jiān)控底層設(shè)備，實現(xiàn)高性能的高層次控制與管理。一般基于CAN總線的工業(yè)分布式控制系統(tǒng)中由主機、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及智能節(jié)點組成。

整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主機和智能節(jié)點通過CAN總線連接，智能節(jié)點作為從機通過CAN接口連接CAN總線。主機由基于LabVIEW設(shè)計的監(jiān)測軟件和硬件資源組成，主要實現(xiàn)對智能節(jié)點的監(jiān)測以及測試數(shù)據(jù)的顯示和存儲。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是串口轉(zhuǎn)CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)。各個智能節(jié)點都掛接到CAN總線上，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上或者接受CAN總線上數(shù)據(jù)進行處理。智能節(jié)點主要由微控制器、CAN收發(fā)器以及相應(yīng)I/O接口組成。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

智能節(jié)點設(shè)計使用STM32F107作為其主控芯片，集成多項高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口的互聯(lián)型微處理器，其采用32位ARM Cortex-M3核心，主頻高達(dá)72 MHz，其出色的兼容性以及高性能，低價格，具有較大的RAM和ROM，對于程序量較大的嵌入式系統(tǒng)有良好的支持，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中。

新STM32外設(shè)豐富強大，包括10個定時器，其中一些不僅可以進行普通的定時還可以進行脈沖捕獲、以及PWM生成;2個12位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其最大采樣率高達(dá)2M sample/s、2個12位DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器、2個I2C接口、5個 UART接口支持最高921 600 bps和3個SPI端口和高質(zhì)量數(shù)字音頻接口IIS，擁有全速 USB(OTG)接口，支持2路 CAN2.0B接口，以及高速以太網(wǎng)10/100 MAC模塊接口。

CAN收發(fā)器選擇德州儀器的SN65HVD230，該器件具有高速率、高抗干擾能力和高可靠性CAN總線的串行通信。該芯片在CAN總線系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用，便于更換。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

一般的CAN總線智能節(jié)點由三個部分:微控制器、CAN總線控制器以及CAN總線收發(fā)器組成。微控制器STM32F107內(nèi)部已經(jīng)集成了CAN總線控制器，故本文涉及的智能節(jié)點主要由STM32F107和CAN總線收發(fā)器組成。

圖2是基于STM32F107智能節(jié)點系統(tǒng)的CAN總線部分原理圖。圖中STM32F107的PD0和PD1腳分別為CANRX和CANTX引腳，為CAN總線的輸入輸出管腳，連接CAN總線收發(fā)器才能與CAN物理總線相連。CAN收發(fā)器SN65HVD230，具有速度高達(dá)1 Mbps的差分發(fā)送、差分接收能力，提供三種工作模式:高速、低電流待機和斜率控制［4］。自身具有短路保護、失地保護、過壓保護和過熱保護。常態(tài)下工作電壓是－2 V～7 V，瞬時耐壓范圍是－25 V～25 V。CAN收發(fā)器SN65HVD230第8引腳經(jīng)10 k電阻與PD15連接，這樣可以由微控制器控制其工作模式，當(dāng)PD15為低電平時為高速工作模式，PD15為高電平時為低電流待機模式。CAN收發(fā)器SN65HVD230與CAN總線的接口設(shè)計時采用較強的抗干擾措施，以及過流保護等方式。其中與CANH、CANL串連的5 k電阻可起到一定的限流作用;并聯(lián)在CANH、CANL和地之間的32 pF的小電容，防止高頻干擾，同時具有一定的防電磁輻射能力;在CAN總線的輸入端與地之間接的防雷擊管，可以濾除CAN總線輸入端和地之間的瞬態(tài)突變干擾。

圖2 以STM32F107為核心的CAN總線原理圖

復(fù)位電路則是包括按鍵復(fù)位電路和上電自動復(fù)位電路組成，加強其可靠性。本文為了系統(tǒng)的調(diào)試，集成了JTAG的調(diào)試接口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于CAN總線的智能節(jié)點主程序流程如圖3所示，其發(fā)送方式通過查詢實現(xiàn)，而發(fā)送數(shù)據(jù)方式通過中斷來實現(xiàn)。智能節(jié)點的主程序主要包括系統(tǒng)及外設(shè)初始化、CAN控制器初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收部分。

圖3 CAN節(jié)點主程序流程圖

在CAN控制器初始化時，必須要求其控制寄存器中復(fù)位位置較高時，才可以訪問寄存器。因此，在初始化寄存器前，系統(tǒng)必須確保已經(jīng)進入復(fù)位狀態(tài)，在訪問CAN總線時寄存器中的內(nèi)容決定波特率的大小?？偩€定時寄存器的初始化值應(yīng)根據(jù)CAN控制器的晶振頻率進行設(shè)計。

數(shù)據(jù)發(fā)送時，CAN控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線是由CAN控制器自動完成的，發(fā)送主程序?qū)l(fā)送數(shù)據(jù)的信息幀發(fā)送到CAN的發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動發(fā)送命令即可。

數(shù)據(jù)接收時，CAN控制器從 CAN總線將數(shù)據(jù)讀取到CAN接收緩沖區(qū)也是自動完成的。接收程序需要從接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。設(shè)計時充分考慮讀接收緩存器(RBF0和RBF1)內(nèi)容后，微控制器必須通過置釋放接收緩存位為高，從而釋放緩存器，使得另一個立即變?yōu)橛行А?/p>

4 結(jié)束語

以STM32F107微處理器為核心，設(shè)計了CAN總線的智能數(shù)據(jù)采集節(jié)點，該系統(tǒng)充分發(fā)揮CAN總線的優(yōu)點，具有高可靠性、高抗干擾性、高傳輸率以及靈活的組網(wǎng)方式等。該智能節(jié)點可實現(xiàn)分布式多節(jié)點測試，實現(xiàn)了測試過程智能化和網(wǎng)絡(luò)化，在工業(yè)測控領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是處理數(shù)據(jù)較多和實時性嚴(yán)苛的環(huán)境下，該設(shè)計節(jié)點會更加有優(yōu)勢。

［1］陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1999.

［2］劉火良，楊森.STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2013.

［3］DSOO5 O.9APRO2［Z］.USA:CYGNAL Integrated Products.Inc，2002:16 －22.

［4］C CAN User’s Manual Revision 1.2 USA:ROBERT BOSCH GMB h［Z］.2000.