电子产品世界

摘要：针对CAN总线在现场运用中存在的一些限制因素，及煤矿井下液压支架电液控制系统CAN总线组网控制中存在的问题，提出了一种基于意法半导体公司STM32单片机的单线CAN总线隔离中继器。充分利用了STM32F105系列单片机内部集成的双bxCAN控制器和飞思卡尔MC33879的单线CAN收发器的特性，构成了一种软中继器。实践证明该设计有效解决了多点供电、网络规模限制、电磁兼容性的问题，对提高煤矿自动化生产安全和效率具有较大意义。
关键词：CAN总线；STM32；中继器；MC33897

CAN总线是一种多主方式的串行通信总线，具有优良的稳定性、实时性、远程通信能力以及超强的硬件CRC纠错等特性；CAN总线技术的应用不再仅限于汽车行业，而扩展到了能源、制造等行业，并被公认为是最有前途的现场总线之一；因此，CAN总线在煤矿各种系统中得到了越来越多的应用。由于受制于CAN收发器，CAN总线通信距离和网络中节点数被分别限制在10 km和110个节点之内。但在煤矿现场设备节点多、距离长、供电系统复杂系统中需要用CAN总线中继器对CAN总线网络进行扩展。
CAN中继器是系统组网的关键技术设备之一，使用中继器可以提高网络的节点数和通信距离，并且可以连接两个不同波特率的CAN总线网络，极大地扩展其使用范围。针对于此设计出了一种基于STM32的单线CAN总线隔离中继器，并将于此应用到液压支架电液控制系统中，实现了液压支架间、液压支架与上位机监控系统的通信。

1 系统整体方案
CAN总线中继器的设计方法一般2种：一种采用硬中继方式，即只通过门电路与一些分立器件的组合来设计电路，但转发效率不高；另一种采用软中继方式，即采用CPU来接收、转发CAN总线两侧的数据，该方案虽然结构复杂，但转发效率较高。两侧的数据经过CPU接收后再转发到另一侧，软中继器的优势除了具有程序滤波和自诊断功能外，还能实现不同速率网段的连接，满足实际应用要求；故本设计采用软中继的方式。

2 硬件设计
2．1 主控电路设计
为煤矿井下严酷的工业环境中设计的中继器硬件电路除了需稳定可靠外，还需保证其低功耗特性。该中继器的CPU采用ST公司基于Cort ex—M3内核的STM32F105系列单片机。STM32F105系列是专门针对快速和简单的编程而设计的，可用于高度集成与低功耗工业应用。STM32F105系列的工作频率可达到72 MHz，相对于同等性能的单片机，功耗却要小很多。另外，它还带有具有在系统编程(ISP)的128KB片上FLASH程序存储器，从而为数据存储与固件升级等操作带来极大的灵活性。STM32F105系列内部集成了2个独立的CAN控制器，简化了中继器的硬件电路设计；其CAN控制器的验收滤波器具有快速的硬件搜索算法，支持大量的CAN标识符，并且允许11位和29位CAN标识符的明确定义与分组定义，简化了系统的软件设计和运行负担。
2．2 通信电路设计
CAN总线接口电路如图2所示。图中CAN收发器选用单线CAN收发器MC33897。它是飞思卡尔公司推出的用于由地构成回路的单总线CAN总线收发器芯片，主要用于多路传输应用方面。它为CAN总线控制器之间的数据传输提供一单线的物理接口，也就是说相对传统CAN总线收发器，它只需要一根信号线即可完成CAN总线通信，这为节点之间相互通信节省了通信成本，方便了系统的安装和后期的维护。另外，CAN总线接口与CPU之间采用双路磁耦ADuM1201隔离，相比于高速光耦，磁耦时延小且功耗小。该设计方法解决不同的支架间用不同电源供电信号不共地的传输问题，并且提高抗干扰的能力。

关键词： CAN总线 STM32 中继器 MC33897