一种CAN总线终端电阻匹配系统的设计
陈龙威， 孙旭飞
【摘 要】提出了一种CAN总线终端电阻匹配系统设计方案，硬件电路主要由STM32微控制器、数字电位器MCP41010和CAN总线收发器MCP2551构成。在此基础上，设计了该系统的主副节点软件通信流程。测试结果表明，该系统软硬件设计合理，工作可靠稳定。系统能够方便工作人员测出CAN总线的较佳终端电阻阻值，具有操作方便、快捷，省时省力等特点。 【期刊名称】电器与能效管理技术 【年(卷),期】2015(000)004 【总页数】5
【关键词】CAN总线；终端电阻；数字电位器；匹配
0 引 言
CAN（Controller Area Network）总线又称控制器局域网，是Bosch公司在现代汽车技术中领先推出的一种多主机局域网，现已广泛应用于工业自动化、船舶、医疗设备等方面。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，采用差分信号传输方式，通信速率可达1 Mb/s，报文采用短帧结构，传输时间短，抗干扰能力强。与一般的通信总线相比，CAN总线具有可靠性高、实时性强、成本低等优点，现已形成国际标准，并被公认为几种最有前途的现场总线之一［1-2］。根据传输线理论，信号在传输线中传输，如果遇到不连续的传输介质，会发生反射现象，该现象与光信号从一种媒介进入另一种媒介会发生反射现象的原理相似。由于CAN总线收发器的阻抗都比较高，构成CAN总线的一对差分线在电气上是彼此孤立的，相当于没有连接到一起。这样，当
信号传输到CAN总线中的一条线的末端时，就会发生反射现象，反射波与信号波叠加，会使信号发生畸变，就会使CAN总线收发器接收到错误的数据，造成通信错误［3］。因此标准的CAN总线拓扑结构，其总线的两端都接入一定值的终端电阻，使总线电缆的阻抗连续，从而消除信号的反射，保证通信质量。终端电阻的选取需要考虑CAN总线传输线的特性（如长度、电阻率等）、CAN总线接入的节点数、各节点的输入电阻、CAN总线收发器的驱动能力和CAN总线上信号的传输速度等问题，因此现场应用时所需的终端电阻不是一个确定值，而是会随着工业现场的变化而变化［4］。如果工业现场稍微发生变化，就需要人工计算终端电阻阻值，然后在此值基础上用可变电阻人工调节阻值，最后根据通信成功与否确定实际接入的电阻阻值。但是，在工业现场中采用这种方法费时费力。本文针对这种方法的不足，提出一种CAN总线的终端电阻匹配方案，方便工作人员在工业现场中迅速确定所需接入的最优终端电阻。该方案省时省力，具有很高的实际应用价值。
1 总体方案
为了便于工作人员的操作和携带，需要把该系统设计成便携式设备。该系统的主节点主要由STM32微处理器、CAN收发器、数字电位器、LCD显示模块等部分组成，而副节点除了没有LCD显示模块，其余部分跟主节点相同。系统结构框图如图1所示。本设计的重点主要是对数字电位器的控制以及CAN总线上主副节点的交互通信。一开始主副节点被接入无终端电阻的CAN总线中，两节点开始进行交互通信，通信波特率设置为最低。通信过程中，它们各自以不同的时间间隔不断改变自身终端电阻值（步长固定）。当通信成功后，主副节点终端电阻设置相同。此后，两节点以相同的时间间隔改变通信波特率（由最
高到最低），并进行交互通信。在每次时间间隔内，它们将所有可配置的终端电阻测试一遍（保持主副节点终端电阻值相同）。最先取得通信成功的电阻值将被确定为最优终端电阻。如果同时有多个电阻值取得通信成功。那奇数时选取正中间电阻值作为最优终端电阻，偶数时选取正中间两个电阻值的平均值作为最优终端电阻。此后，通过LCD显示该值。当工作人员确定后，便可拆除主副节点，在总线上接入所需的终端电阻，以便该总线能够正常通信。
2 硬件设计
2.1 数字电位器接口设计
数字电位器采用MCP41010。它在单一芯片上集成一个10 kΩ数字电位器，具有工业标准的SPI同步串口，用户可以通过往芯片写入相应的指令，直接控制滑刷在电位器上滑动端的位置。滑动端共有256个离散的调节节点，具有较高的调节精度［5］。MCP41010的引脚、SCK、SI与STM32微控制器的SPI接口相连，PW0端与PB0端相连后接入CAN总线的CANH，PA0端直接接入CAHL，从而代替了机械式的终端电阻。微控制器通过CAN总线上的通信状况相应调节数字电位器的输出电阻，MCP41010与微控制器的接口电路如图2所示。
2.2 CAN接口电路设计
STM32微控制器其自身集成有CAN总线控制器，支持CAN协议2.0A和2.0B主动模式，波特率最高可达1 Mbps，支持时间触发通信功能等。为了增加CAN总线接口模块的抗干扰能力，STM32微控制器的CANTXD与CANRXD引脚通过高速光电耦合器6N137与CAN收发器MCP2551的TXD和RXD相连。这样就很好地实现了总线上CAN节点间的电气隔离。
一种CAN总线终端电阻匹配系统的设计
