基于STM 32的CAN總線智能測(cè)控模塊的設(shè)計(jì)?

吳根平 王 浩 劉 巍 程澤宇 張洪峰

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064）

1 引言

目前，船用監(jiān)控系統(tǒng)多采用模擬量進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)與監(jiān)控臺(tái)之間敷設(shè)大量信號(hào)電纜，存在檢修困難、抗干擾能力差、可擴(kuò)展性差、傳輸距離受限等問題。為提供系統(tǒng)可靠性與可維護(hù)性，利用高性能、高可靠性的控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Con?troller Area Network，CAN）總線技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于STM32芯片的CAN總線智能測(cè)控模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控點(diǎn)的信號(hào)檢測(cè)、輸出控制與遠(yuǎn)程傳輸。

2 模塊總體結(jié)構(gòu)

智能測(cè)控模塊主要功能如下。

1）具備2路模擬量、2路開關(guān)量的信號(hào)檢測(cè)功能；

2）具備2路模擬量、2路開關(guān)量的輸出控制功能；

3）具備CAN總線通信功能，能與其他CAN總線模塊進(jìn)行信息交互；

4）具備遠(yuǎn)程設(shè)置模塊的CANID、波特率等參數(shù)的功能。

智能測(cè)控模塊總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。測(cè)控模塊以STM32F07芯片為控制核心，主要由最小系統(tǒng)電路、CAN總線接口電路、模擬量輸入接口電路、模擬量輸出接口電路、開關(guān)量輸入接口電路以及開關(guān)量輸出接口電路等組成。

系統(tǒng)工作流程如下：模塊中斷接收CAN總線數(shù)據(jù)幀，根據(jù)CAN數(shù)據(jù)幀的類型進(jìn)行相應(yīng)的操作。當(dāng)模塊接收到參數(shù)設(shè)置幀時(shí)，模塊設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)并把參數(shù)值存入EEPROM中；當(dāng)模塊接收到傳輸數(shù)據(jù)幀時(shí)，模塊采集2路模擬量與2路開關(guān)量，并將所采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺AN網(wǎng)絡(luò)上；當(dāng)模塊接收到數(shù)據(jù)幀時(shí)，模塊輸出2路模擬量與2路開關(guān)量。

圖1 測(cè)控模塊總體框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 最小系統(tǒng)電路

綜合考慮系統(tǒng)綜合性能要求和成本要求，主控制器MCU采用ARM芯片STM32F407ZET6。該芯片是ST公司推出的32位ARM架構(gòu)微處理器，采用Cortex-M4內(nèi)核，工作頻率高達(dá)168MHz，包含2個(gè)CAN控制器外設(shè)、3個(gè)I2C接口、1MB的FLASH以及196KB的SRAM，可應(yīng)用于高度集成與低功耗的嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合。

最小系統(tǒng)電路主要包括供電電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路以及調(diào)試接口電路。供電電路采用SPX1117M3-3.3芯片將5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V電源為STM32F407芯片供電；采用RC電路對(duì)該芯片上電復(fù)位；時(shí)鐘電路采用外接25MHz的晶體震蕩器。

3.2 CAN總線接口電路

因STM32F407內(nèi)嵌了CAN控制器，采用抗干擾能力強(qiáng)的隔離型ISO1050作為CAN總線收發(fā)器，采用B0505LS電源隔離芯片為ISO1050收發(fā)器提供隔離電源。為避免CAN總線網(wǎng)絡(luò)遭受ESD以及其它瞬變電壓干擾，在CAN總線信號(hào)線與地之間各跨接了TVS二極管。CAN總線接口電路如圖2所示。

圖2 CAN總線接口電路

3.3 模擬量輸入接口電路

測(cè)控模塊的2路模擬量輸入信號(hào)源為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。采用100Ω的精密電阻將4-20mA電流信號(hào)變換為0.4-2V電壓信號(hào)，之后經(jīng)電壓跟隨器連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7988。AD7988芯片由LM285D-2.5提高精密2.5V基準(zhǔn)電壓源。2片AD7988芯片與STM32芯片構(gòu)成SPI四線式CS模式。

圖3 2路I/V變換電路

圖4 2路模擬電壓信號(hào)采樣電路

3.4 模擬量輸出接口電路

測(cè)控模塊輸出2路4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。使用2片DAC8501數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片與STM32芯片構(gòu)成SPI四線式CS模式，基準(zhǔn)電壓是LM285D-2.5精密2.5V基準(zhǔn)電壓源。采用負(fù)載共電源V/I變換形式，采用100Ω的精密電阻將0.4-2V電壓信號(hào)變換為4-20mA電流信號(hào)。

圖5 2路模擬電壓信號(hào)輸出電路

圖6 2路V/I變換電路

3.5 開關(guān)量輸入接口電路

開關(guān)量輸入接口電路可實(shí)現(xiàn)2路開關(guān)量隔離檢測(cè)功能。為提高系統(tǒng)抗干擾能力，輸入通道采用PA1a電磁繼電器、PC817光電耦合器實(shí)現(xiàn)兩級(jí)電氣隔離。

圖7 開關(guān)量輸入接口電路

3.6 開關(guān)量輸出接口電路

開關(guān)量輸出接口電路可實(shí)現(xiàn)2路開關(guān)量輸出功能。為提高輸出驅(qū)動(dòng)能力，選用SDI1102D固態(tài)繼電器。為提高系統(tǒng)可靠性與可維護(hù)性，設(shè)計(jì)了輸出確認(rèn)機(jī)制，將輸出開關(guān)量經(jīng)過光耦電平轉(zhuǎn)換重新輸入到STM32芯片中進(jìn)行輸出確認(rèn)。

圖8 開關(guān)量輸出接口電路

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括CAN總線通信模塊、數(shù)據(jù)采集與輸出模塊兩部分。CAN總線通信模塊主要由CAN控制器初始化函數(shù)、CAN幀發(fā)送函數(shù)和CAN幀接收函數(shù)三部分組成；數(shù)據(jù)采集與輸出模塊主要負(fù)責(zé)2路模擬量、2路開關(guān)量的采集與輸出。

4.1 CAN總線通信模塊

協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵。CAN總線協(xié)議主要包括參數(shù)設(shè)置幀、讀取數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀等協(xié)議幀。本文選用11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀。11位標(biāo)識(shí)符中，高4位標(biāo)識(shí)幀類型，低7位標(biāo)識(shí)節(jié)模塊ID，具體協(xié)議格式如圖9所示，協(xié)議說明如表1所示。

圖9 CAN總線通信協(xié)議格式

表1 CAN總線通信協(xié)議說明

CAN控制器初始化函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)CAN工作時(shí)的參數(shù)設(shè)置，具體包括硬件使能CAN控制器、設(shè)置CAN總線波特率、設(shè)置中斷工作方式、設(shè)置CAN驗(yàn)收過濾器、CAN控制器的工作方式等。

CAN幀發(fā)送函數(shù)將已打包完畢的CAN幀發(fā)送到CAN總線上，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。進(jìn)入該函數(shù)后，首先判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否為空，若為空則將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動(dòng)發(fā)送，最后返回。

CAN幀接收函數(shù)以中斷方式調(diào)用以提高系統(tǒng)效率。該函數(shù)主要負(fù)責(zé)讀取CAN接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)至RAM中。進(jìn)入該函數(shù)后，首先判斷接收緩沖區(qū)是否為空，若非空則讀取接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，然后返回，程序流程如圖所示。為防止接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)溢出，可開辟一個(gè)環(huán)形數(shù)組保存接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)采集與輸出模塊

開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集與輸出程序比較簡(jiǎn)單，將連接開關(guān)量輸入輸出的引腳分配配置為GPIO輸入輸出引腳，然后分別讀取相應(yīng)引腳的值或者輸出相應(yīng)的高低電平即可。在此給出了采用外部ADC的模擬量采集模塊程序與采用外部DAC的模擬量輸出模塊程序設(shè)計(jì)的說明。

4.2.1 模擬量采集模塊程序設(shè)計(jì)

根據(jù)AD7988芯片的四線式CS模式串行接口時(shí)序，設(shè)計(jì)了模擬量采集模塊程序。首先將CNV置為低電平，再分別將兩片AD7988芯片的SDI0、SDI1置為高電平，而后將CNV置為高電平，此時(shí)ADC芯片開啟轉(zhuǎn)換，等待10us后，將SDI0置為低電平，逐位循環(huán)讀取SDO數(shù)據(jù)。讀取完16位數(shù)據(jù)后，將SDI1置為低電平，逐位循環(huán)讀取SDO數(shù)據(jù)，之后返回。模擬量采集模塊程序流程圖如圖10所示。

圖10 模擬量采集模塊程序

4.2.2 模擬量輸出模塊程序設(shè)計(jì)

根據(jù)DAC8501芯片的串行接口時(shí)序，設(shè)計(jì)了模擬量輸出模塊程序。首先判斷DAC輸出通道，將相應(yīng)片選信號(hào)置低，之后從高至低逐位輸出相應(yīng)位至SPI數(shù)據(jù)線，最后將片選信號(hào)置高，返回。模擬量輸出模塊程序流程圖如圖11所示。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM芯片STM32F407的CAN總線智能測(cè)控模塊。該智能測(cè)控模塊能夠完成2路模擬量、2路開關(guān)量的信號(hào)檢測(cè)與控制，能夠與其他CAN模塊通過CAN總線進(jìn)行信號(hào)交互與控制。智能測(cè)控模塊的成功應(yīng)用，可有效提高船用監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)全面的、自動(dòng)化的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖11 模擬量輸出模塊程序