摘要：CAN中繼器是系統(tǒng)組網(wǎng)的關鍵，通過中繼器可以擴展節(jié)點的數(shù)量和實現(xiàn)不同波特率之間的通信。本文充分利用STM32F105內部集成雙bx CAN控制器的特性，設計出一款基于STM32的單芯片CAN總線中繼器，并將其應用到齊瑪印花機上。實踐證明該方法有效可行，不僅實現(xiàn)了齊瑪印花機的改造，還降低了系統(tǒng)設備的成本。
關鍵詞：CAN總線；中繼器；STM32F105；齊瑪印花機

引言
    CAN總線是一種多主方式的串行通信總線，具有優(yōu)良的穩(wěn)定性、實時性、遠程通信能力以及超強的硬件CRC糾錯等特性；CAN總線技術的應用不再僅限于汽車行業(yè)，而是擴展到了機械、紡織、控制等行業(yè)，并被公認為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。然而由于受制于CAN收發(fā)器，CAN總線通信距離和網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)被分別限制在10 km和110個之內。但是在稍大型的CAN總線系統(tǒng)中，這往往是不夠的，這時就需要用CAN總線中繼器對CAN總線網(wǎng)絡進行擴展。
    CAN中繼器是系統(tǒng)組網(wǎng)的關鍵技術設備之一，使用中繼器可以提高網(wǎng)絡設計的靈活性，并且通過中繼器還可以連接兩個不同波特率的CAN總線網(wǎng)絡；在兩個網(wǎng)絡間進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，極大地擴展其使用范圍?；诖?，本文設計出一款基于STM32的CAN總線中繼器，并將其應用到齊瑪印花機上，完成圓網(wǎng)印花機通信系統(tǒng)的工程改造。

1 系統(tǒng)整體方案及硬件實現(xiàn)
    以往的CAN中繼器設計大多采用MCU加CAN控制器的雙芯片或多芯片解決方案。例如，參考文獻使用1片MCU加2路CAN控制器的結構實現(xiàn)中繼器；參考文獻使用雙MCU結構設計CAN總線中繼器；參考文獻使用獨立雙CAN控制器作為2路CAN接口的控制器來設計CAN中繼器。上述方案電路復雜，MCU與CAN控制器通過外部總線連接，數(shù)據(jù)吞吐速度慢，整體可靠性也比較差。
    意法半導體的STM32是以ARM Cortex-M3為內核的32位微處理器，主頻可高達72 MHz，內置Flash和SRAM，其容量可分別高達512 KB和64 KB；內部集成雙bxCAN控制器。它支持CAN協(xié)議V2．0A和V2．OB，波特率最高可達1 Mb／s，具有3個發(fā)送郵箱和2個3級深度的FIFO，能夠以最小的CPU負荷來高效處理大量收到的報文。基于此，選用STM32F105作為主控制器，設計出一款基于STM32的CAN總線中繼器。其整體方案如
圖1所示。

    由于STM32F105內部集成了雙路CAN控制器，CAN中繼器的節(jié)點電路變得十分簡單，其硬件電路如圖2所示。

    以往的節(jié)點電路，為了降低生產(chǎn)現(xiàn)場的抗干擾能力，保證中繼器工作的可靠性，都采用多重的抗干擾措施。例如，大部分的節(jié)點電路都是采用在CAN控制器和收發(fā)器之間加入光電隔離器6N137來實現(xiàn)CAN節(jié)點之間的電氣隔離，采用外加DC／DC電源模塊的方法切斷系統(tǒng)電源的干擾。同樣著眼于提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性的問題，本設計中一反常規(guī)的設計方法，直接采用廣州致遠電子有限公司生產(chǎn)的CAN通用收發(fā)器CTM8251。
    CTM8251是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器芯片，該芯片內部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收發(fā)器件，這些都被集成在不到3 cm2的芯片上。芯片的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，并且具有DC 2500 V的隔離功能。該芯片符合ISO11898標準，因此，它可以和其他遵從ISO11898標準的CAN收發(fā)器產(chǎn)品互操作。
    實踐證明采用CTM8251不僅使系統(tǒng)真正與外接隔離開，抑制了干擾的串入提高系統(tǒng)的可靠性，簡化了CAN節(jié)點外圍電路的復雜度，還降低了成本，有較高的性價比。
    圖2中120 Ω為可選用的終端匹配電阻，如果網(wǎng)絡中已經(jīng)有一對匹配電阻，則不使用該電阻。另外，電路中設計有相應的撥碼開關電路用于CAN網(wǎng)絡的ID標志和設置相應的波特率。

2 中繼器的軟件實現(xiàn)
    CAN中繼器的主要任務是在兩個網(wǎng)絡中進行數(shù)據(jù)的過濾和轉發(fā)。其軟件主要包括以下模塊：初始化模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和接收模塊等。
2．1 初始化模塊
    CAN初始化直接關系到CAN控制器能否正常工作，在很多情況下，軟件不能正常工作并不是CAN的收發(fā)程序有問題，往往是初始化配置不正確造成的。STM32的CAN初始化主要包括CAN寄存器初始化、CAN單元初始化(包括CAN模式和波特率的設置)、CAN過濾器的初始化。由于STM32開發(fā)商提供了大量的固件庫函數(shù)，所以只需在調用的時間作出相應的設置即可。初始化子程序如下所示：
    ①CAN單元初始化子程序。

    在該初始化子程序中最關鍵的環(huán)節(jié)是怎么設置CAN的波特率，STM32數(shù)據(jù)手冊給出了波特率的計算公式：
    
    其中tq為CAN時鐘周期。如上述CAN單元初始化子程序中：SJW=tq，BS1=8tq，BS2=7tq，STM32的CAN時鐘有APB1提供。假設系統(tǒng)時鐘為72 MHz，APB1為系統(tǒng)時鐘的9分頻，結合初始化子程序，CAN_Prescaler=1，帶入波特率計算公式即可求的其波特率為500 kb／s。
    ②CAN過濾器的初始化子程序。

 
    CAN過濾器設置的得當與否是CAN是否能夠成功接收信息的關鍵，尤其在過濾器組位寬和模式設計上，如何將節(jié)點的ID號準確地映射到過濾器組位寬設置寄存器上是過濾器的核心。為了過濾出一組標識符，設置過濾器工作在屏蔽位模式下，對標識符的任何一位采用“必須匹配”或“不用關心”的原則處理。
2．2 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊
    中繼器的任務之一就是實現(xiàn)報文的轉發(fā)。STM32F105內部集成了雙bxCAN控制器，它包括3個發(fā)送郵箱和2個3級深度的FIFO。結合STM32-F105的特性，采用雙FIFO的轉發(fā)機制，其原理如圖3所示。

    依據(jù)圖3，當STM32F105接收到新的報文時，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊處理，在主監(jiān)控程序負責下，對兩路bxCAN控制器的接收FIFO緩沖區(qū)進行監(jiān)視，如某一路緩沖區(qū)非空則向另一路轉發(fā)。
    STM32F105發(fā)送報文的流程為：應用程序選擇1個空置的發(fā)送郵箱；設置標識符，數(shù)據(jù)長度和待發(fā)送數(shù)據(jù)；然后對CAN_TIxR寄存器的TXRQ位置1，來請求發(fā)送。TXRQ位置1后，郵箱就不再是空郵箱；而一旦郵箱不再為空置，軟件對郵箱寄存器就不再有寫的權限。TXRQ位置1后，郵箱馬上進入掛號狀態(tài)，并等待成為最高優(yōu)先級的郵箱。一旦郵箱成為最高優(yōu)先級的郵箱，其狀態(tài)就變?yōu)轭A定發(fā)送狀態(tài)。當CAN總線進入空閑狀態(tài)，預定發(fā)送郵箱中的報文就馬上被發(fā)送(進入發(fā)送狀態(tài))。在郵箱中的報文被成功發(fā)送后，它馬上變?yōu)榭罩绵]箱；硬件相應地對CAN_TSR寄存器的RQCP和TXOK位置1，來表明一次成功發(fā)送。
2．3 數(shù)據(jù)接收模塊
    為了提高中繼器數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，CAN報文的接收采用中斷方式。所以在CAN初始化過程中應該通過調用STM32固件庫函數(shù)voidCAN_IT-Config(CAN_TypeDef*CANx，uint32_t CAN_IT，F(xiàn)unctionalState Newstate)來開啟CAN1和CAN2的中斷。在接收時通過判斷其標志位來確定是CAN1還是CAN2產(chǎn)生的中斷，以此進入中斷函數(shù)void CAN1_RX0_IRQHandler(void)和voidCAN2 RX0_IRQHandler(void)對收到的報文進行處理。即：在接收一個報文時，其標識符首先與配置在標識符列表模式下的過濾器相比較。如果匹配上，報文就被存放到相關聯(lián)的FIFO中，并且所匹配的過濾器的序號被存入過濾器匹配序號中；如果沒有匹配，報文標識符接著與配置在屏蔽位模式下的過濾器進行比較；如果報文標識符沒有跟過濾器中的任何標識符相匹配，那么硬件就丟棄該報文，且不會對軟件有任何打擾。數(shù)據(jù)接收模塊流程如圖4所示。

3 系統(tǒng)在齊瑪印花機上的應用
    在齊瑪印花機CAN通信系統(tǒng)中，CF101板是控制主板，上面具有CAN中繼器的功能，其他3個操作板是從節(jié)點。系統(tǒng)利用中繼器將整個網(wǎng)絡的通信系統(tǒng)分為兩層，由中繼器對主節(jié)點和從節(jié)點之間的報文進行轉發(fā)。為了完成對工程的改造，將筆者所設計的CAN中繼器代替CF101主板，另外3個節(jié)點電路同樣采用STM32來設計。
    筆者所設計的CAN中繼器現(xiàn)在紹興某公司進行測試。在實際應用中，將中繼器的一端和網(wǎng)絡主干線連接，另一端和操作板及顯示板連接。就最近3個月的測試結果表明：該系統(tǒng)能夠和原設備正常通信，保證印花機的正常工作且性能穩(wěn)定可靠；維護和擴容方便，大大提高了印花機工作效率，并更大程度地降低了設備成本。

4 結論
    本文所設計的CAN總線中繼器，充分利用以Cortex-M3為內核的STM32的優(yōu)勢，內部集成雙bxCAN控制器簡化了硬件電路的設計；豐富的固件庫函數(shù)縮短了開發(fā)周期。實踐表明，基于STM32的CAN中繼器完成了各項設計指標，符合工程的要求，在齊瑪印花機系統(tǒng)中能夠有效的完成數(shù)據(jù)的轉發(fā)和網(wǎng)絡的拓展，具有較高的性價比。