【基于STM32的工業(yè)總線轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)】 can總線故障

　　[摘要]隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，外圍接口由廣泛使用的RS232串口逐漸發(fā)展到性能更加優(yōu)越的USB接口。而在工業(yè)總線領(lǐng)域，CAN總線憑借其自身的優(yōu)越性， 已經(jīng)成為國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，相比之下傳統(tǒng)的RS485總線在實(shí)際工業(yè)設(shè)備中仍存在不少，井未退出歷史的舞臺(tái)。通過協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)總線之間數(shù)據(jù)通訊的需求以及計(jì)算機(jī)對工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)申的數(shù)據(jù)采集與分析。本文介紹了基于STM32的工業(yè)總線轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)，為轉(zhuǎn)換器的進(jìn)一步研究與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　[關(guān)鍵詞]轉(zhuǎn)換器；CAN：USB；RS232／485
　　[中圖分類號]了P3347 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A
　　[文章編號]1007―4309(2010)08―0148―1.5
　　
　　一、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
　　
　　轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)包括一個(gè)UsB接口、一個(gè)CAN接口、一個(gè)RS485接口和一個(gè)RS232接口，可以通過相應(yīng)的硬件選擇并配合軟件程序?qū)崿F(xiàn)兩種接口之間的數(shù)據(jù)通訊，在兩種總線之間起到橋梁的作用。所有模塊之間都通過STM32微控制器的異步串行收發(fā)器(UART)連接，對于嵌入式系統(tǒng)，UA只丁具有操作簡單、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)及廉價(jià)的特點(diǎn)，是微處理器和其他模塊通訊的最佳方式，UARTl用于連接RS232模塊，UART2用于兩個(gè)微處理器互連，UART3用于連接RS485模塊，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖l。
　　STM32微控制器內(nèi)部集成了USB設(shè)備接口和CAN總線接口，但由于USB和CAN共享了一個(gè)專用的512Bytes的SRAM內(nèi)存，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接受，所以它們不可能在一個(gè)芯片上同時(shí)被使用，必須分別使用兩個(gè)芯片。USB模塊使用一片STM32F103C8微控制器的內(nèi)置USB設(shè)備，CAN模塊使用另一片STM32F103C8微控制器的內(nèi)置CAN設(shè)備，它們之間通過微控制器的UAR7相連。STM32F103C8微控制器提供了3路UAR／接口，其他UAR／接口用來連接RS232和RS485模塊。選用STM32微控制器的內(nèi)部USB設(shè)備和CAN總線設(shè)備，使得整個(gè)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)電路簡化，穩(wěn)定性提高。
　　
　　
　　二、核心微控制器設(shè)計(jì)
　　
　　嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式系統(tǒng)的功能軟件集成于硬件系統(tǒng)之中，系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與硬件一體化。在嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)備中，其性能好壞直接決定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果，與普通工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。在應(yīng)用中將微處理器裝在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保留與嵌入式相關(guān)的母板，大幅減小系統(tǒng)的體積和功耗。嵌入式處理器一般具備以下4個(gè)特點(diǎn)：第一，對實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并目有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度。第二，具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷。第三，可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開發(fā)出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器。嵌入式微處理器必須具有很低的功耗，而用于便攜式的無線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此。第四，全世界只有4％的計(jì)算機(jī)處理芯片用于計(jì)算機(jī)中，其余都被嵌入式處理器所占據(jù)，它的品種數(shù)量已超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)。
　　
　　三、USB模塊設(shè)計(jì)
　　
　　由于S／M32的高度集成化，包含了USB模塊。其作為其I／O組的一部分，使得USB模塊的電路設(shè)計(jì)變得簡化。S／M32的USB外圍設(shè)備接口實(shí)現(xiàn)了USB總線與內(nèi)部APBI總線的連接， 因此只需要將處理器的D+引腳和D一引腳與USB的B型接口相連即可。D／和D一都有串聯(lián)電阻R將USB連接終止�？偟碾娮柚祽�(yīng)該為45歐，包括USB控制器的引腳本身的阻抗在內(nèi)。除此之外，我們選用了一個(gè)P溝道MOS管FDN338P作為電源的開關(guān)，它本身就有軟開啟的功能，可以限制沖擊電流。如果沒有這個(gè)軟啟動(dòng)的保護(hù)功能，電路復(fù)位的瞬間產(chǎn)生的沖擊電流會(huì)使STM32的USB電路遭到損壞。
　　
　　四、CAN模塊設(shè)計(jì)
　　
　　STM32集成了基礎(chǔ)擴(kuò)展的CAN外圍設(shè)備，用來連接CAN網(wǎng)絡(luò)。它支持CAN 2，0A和2，OB協(xié)議，可以用最小的CPU開銷有效地處理大量的接收消息，并滿足發(fā)送消息的優(yōu)先級要求，最高比特率可以達(dá)到IMbps。發(fā)送端有3個(gè)輸出郵箱，并可配置發(fā)送優(yōu)先級，發(fā)送時(shí)提供位于起始幀的時(shí)間戳；接受端有兩個(gè)FIFO緩沖器，14個(gè)過濾器組，并可配置的緩沖器溢出，發(fā)送時(shí)也提供位于起始幀的時(shí)間戳。
　　CAN控制器與物理總線之間通過CAN收發(fā)器連接，也稱為總線驅(qū)動(dòng)器。提供對總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。與USB類似，處理器與CAN收發(fā)器連接十分簡單，只需要將處理器的CAN／X引腳與收發(fā)器的D引腳相連，處理器的CANRX引腳與收發(fā)器的R引腳相連即可。電容C208用于VDD33電源去耦。
　　
　　五、RS232模塊設(shè)計(jì)
　　
　　RS232是目前比較通用的接口標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)起來較USB簡單、方便。S／M32微處理器的UAR／接口可輕松通過接口芯片MAX3232完成電子轉(zhuǎn)換。MAX3232的使用極其簡單，因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)幾乎沒有什么工作要做，唯一需要的外部支持部件就是電容，以供芯片內(nèi)部的變壓器使用。這些變壓器輸出RS232所需的+12V和-12V電壓。電容C201、C202、C203和C204大小都為。，1uF，C205為VDD33電源去耦電阻，大小也為0，1uF。所有電容都應(yīng)該盡可能靠近芯片相應(yīng)的引腳。然后將S／M32微處理器的UAR丁I的串行數(shù)據(jù)線和RS232連接器的信號線相連。實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的串口，只需要Rx、h和信號地就可以了。
　　
　　六、RS485模塊設(shè)計(jì)
　　
　　連接到RS485網(wǎng)絡(luò)的接口通過一個(gè)收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。如Maxim的MAX3485芯片。在網(wǎng)絡(luò)的一端，MAX3485有兩個(gè)信號A和B，它們是雙絞線的接入點(diǎn)。MAX3485的DI(Data In)和RO(Receiver 0ut)兩個(gè)引腳，分別與S／M32微處理器的UAR／2的h和Rx引腳相連接。由于連接到一個(gè)公共網(wǎng)絡(luò)，它必須能夠在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行監(jiān)聽和傳輸，所以收發(fā)器有兩個(gè)控制輸入端：DE(Data Enable)和RE(Receiver Enable)。對DE輸／X--個(gè)高電平，則允許DI端的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，同樣，對輸入廠個(gè)低電平，就使接收器可以接收數(shù)據(jù)。DE是高電平有效，而邢是低電平有效，由微處理器的一個(gè)I／0引腳控制。
　　
　　七、總結(jié)
　　
　　本文主要設(shè)計(jì)了一種基于S7M32微控制器的總線轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，結(jié)合STM32豐富的外圍設(shè)備借口，使得硬件電路設(shè)計(jì)變得簡單可靠，如果只實(shí)現(xiàn)兩種總線之間的轉(zhuǎn)換，可以方便地裁減不用的接口。結(jié)合移植的u C／OS-II操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了完整的串口和CAN總線抽象層模塊，方便整個(gè)軟件體系移植到其他處理器。

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