基于STM32F105微控制器的双CAN冗余设计方案

控制器局域网（ Contro llerA reaN etwo rk, CAN）是一种多主方式的串行通讯总线。CAN 总线具有较高的位速率， 很强的抗电磁干扰性， 完善的错误检测机制， 在汽车、制造业以及航空工业领域中得到广泛应用 。由于船舶机舱环境极为恶劣， 且船舶航行过程中维修条件不如陆上， 对CAN 通信的可靠性要求很高， 采取双CAN 冗余总线提高通信可靠性。本文提出一种基于STM32F105微控制器的双CAN 冗余设计方案。

　　1 硬件平台组成

　　STM32F105是STM icroe lectron ics公司推出的一款基于ARM Co rtex- M3内核的32位微控制器， 其内核是专门设计于满足高性能、低功耗、实时应用的嵌入式领域的要求。由于采用Thumb - 2指令集，与ARM7微控制器相比STM32运行速度最多可快35% 且代码最多节省45% 。较高的主频和代码执行效率使系统在进行CAN 总线数据收发的同时仍可运行总线冗余算法。STM32F105微控制器内部集成2路独立的CAN 控制器， 控制器集成在芯片内部， 避免了总线外扩引入的干扰， 同时简化了电路设计、降低成本。

　　系统使用两条完全独立的CAN 总线， 两个CAN 总线收发器和总线控制器， 实现物理层、数据链路层的全面冗余。在初始化时两个控制器被同时激活， 一个作为主CAN, 另一个作为从CAN, 为主控制器的备份。正常运作时， 数据通过主CAN 优先发送； 当主CAN 总线繁忙时， 从CAN 总线分担部分通信流量； 而当主CAN 总线发生故障时， 数据转移至从CAN 控制器传输， 反之亦然。在任一总线发生故障时，数据都能经由另一条总线传输， 而当两条总线都正常时， 使用两总线同时传输， 增加约1倍的通信带宽，这样在保证了通信可靠性的同时提高了实时性。

　　CAN 总线接口电路设计如图1所示， 使用T JA1050作为总线收发器， 它完成CAN 控制器与物理总线之间的电平转换和差动收发。尽管TJA1050本身具备一定的保护能力， 但其与总线接口部分还是采用一定的安全和抗干扰措施； T JA1050的CANH 和CANL与地之间并联两只10pF的小电容， 可以滤除总线上的高频干扰； 另外， 为了增强CAN 总线节点的抗干扰能力， 总线输入端与地之间分别接入一只瞬态抑制二极管， 当两输入与地之间出现瞬变干扰时， 收发器输入端电压被钳位在安全范围。

　　为防止总线过压造成节点损坏， STM32F105内置CAN 控制器的数据收发引脚并不与TJA1050直接相连， 通过ADuM1201磁隔离器实现信号隔离传输。与传统光耦隔离相比， 磁隔离简化了隔离电路设计， 并且磁隔离芯片的功耗很低， 大约相当于光耦隔离的1 /10。除了将CAN 数据信号隔离外，TJA1050T使用的电源和地也必须与系统完全隔离， 使用5V 隔离输出的开关电源模块IB0505LS提供隔离电源。由于CAN 总线数据传输率较高， 为了提高信号质量， 网络拓扑结构应尽量设计成单线结构以避免信号反射， 同时终端连接120欧姆左右的匹配电阻。

图1 CAN 接口电路设计