STM32的CAN总线中继器设计及应用

摘要：CAN中继器是系统组网的关键，通过中继器可以扩展节点的数量和实现不同波特率之间的通信。本文充分利用STM32F105内部集成双bx CAN控制器的特性，设计出一款基于STM32的单芯片CAN总线中继器，并将其应用到齐玛印花机上。实践证明该方法有效可行，不仅实现了齐玛印花机的改造，还降低了系统设备的成本。
关键词：CAN总线；中继器；STM32F105；齐玛印花机

引言
    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，而是扩展到了机械、纺织、控制等行业，并被公认为是最有前途的现场总线之一。然而由于受制于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个之内。但是在稍大型的CAN总线系统中，这往往是不够的，这时就需要用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设计的灵活性，并且通过中继器还可以连接两个不同波特率的CAN总线网络；在两个网络间进行数据转发，极大地扩展其使用范围。基于此，本文设计出一款基于STM32的CAN总线中继器，并将其应用到齐玛印花机上，完成圆网印花机通信系统的工程改造。

1 系统整体方案及硬件实现
    以往的CAN中继器设计大多采用MCU加CAN控制器的双芯片或多芯片解决方案。例如，参考文献使用1片MCU加2路CAN控制器的结构实现中继器；参考文献使用双MCU结构设计CAN总线中继器；参考文献使用独立双CAN控制器作为2路CAN接口的控制器来设计CAN中继器。上述方案电路复杂，MCU与CAN控制器通过外部总线连接，数据吞吐速度慢，整体可靠性也比较差。
    意法半导体的STM32是以ARM Cortex-M3为内核的32位微处理器，主频可高达72 MHz，内置Flash和SRAM，其容量可分别高达512 KB和64 KB；内部集成双bxCAN控制器。它支持CAN协议V2．0A和V2．OB，波特率最高可达1 Mb／s，具有3个发送邮箱和2个3级深度的FIFO，能够以最小的CPU负荷来高效处理大量收到的报文。基于此，选用STM32F105作为主控制器，设计出一款基于STM32的CAN总线中继器。其整体方案如
图1所示。

    由于STM32F105内部集成了双路CAN控制器，CAN中继器的节点电路变得十分简单，其硬件电路如图2所示。

    以往的节点电路，为了降低生产现场的抗干扰能力，保证中继器工作的可靠性，都采用多重的抗干扰措施。例如，大部分的节点电路都是采用在CAN控制器和收发器之间加入光电隔离器6N137来实现CAN节点之间的电气隔离，采用外加DC／DC电源模块的方法切断系统电源的干扰。同样着眼于提高系统的抗干扰能力和可靠性的问题，本设计中一反常规的设计方法，直接采用广州致远电子有限公司生产的CAN通用收发器CTM8251。
    CTM8251是一款带隔离的通用CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收发器件，这些都被集成在不到3 cm2的芯片上。芯片的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，并且具有DC 2500 V的隔离功能。该芯片符合ISO11898标准，因此，它可以和其他遵从ISO11898标准的CAN收发器产品互操作。
    实践证明采用CTM8251不仅使系统真正与外接隔离开，抑制了干扰的串入提高系统的可靠性，简化了CAN节点外围电路的复杂度，还降低了成本，有较高的性价比。
    图2中120 Ω为可选用的终端匹配电阻，如果网络中已经有一对匹配电阻，则不使用该电阻。另外，电路中设计有相应的拨码开关电路用于CAN网络的ID标志和设置相应的波特率。

2 中继器的软件实现
    CAN中继器的主要任务是在两个网络中进行数据的过滤和转发。其软件主要包括以下模块：初始化模块、数据发送模块和接收模块等。
2．1 初始化模块
    CAN初始化直接关系到CAN控制器能否正常工作，在很多情况下，软件不能正常工作并不是CAN的收发程序有问题，往往是初始化配置不正确造成的。STM32的CAN初始化主要包括CAN寄存器初始化、CAN单元初始化(包括CAN模式和波特率的设置)、CAN过滤器的初始化。由于STM32开发商提供了大量的固件库函数，所以只需在调用的时间作出相应的设置即可。初始化子程序如下所示：
    ①CAN单元初始化子程序。

    在该初始化子程序中最关键的环节是怎么设置CAN的波特率，STM32数据手册给出了波特率的计算公式：
    
    其中tq为CAN时钟周期。如上述CAN单元初始化子程序中：SJW=tq，BS1=8tq，BS2=7tq，STM32的CAN时钟有APB1提供。假设系统时钟为72 MHz，APB1为系统时钟的9分频，结合初始化子程序，CAN_Prescaler=1，带入波特率计算公式即可求的其波特率为500 kb／s。
    ②CAN过滤器的初始化子程序。

 
    CAN过滤器设置的得当与否是CAN是否能够成功接收信息的关键，尤其在过滤器组位宽和模式设计上，如何将节点的ID号准确地映射到过滤器组位宽设置寄存器上是过滤器的核心。为了过滤出一组标识符，设置过滤器工作在屏蔽位模式下，对标识符的任何一位采用“必须匹配”或“不用关心”的原则处理。
2．2 数据发送模块
    中继器的任务之一就是实现报文的转发。STM32F105内部集成了双bxCAN控制器，它包括3个发送邮箱和2个3级深度的FIFO。结合STM32-F105的特性，采用双FIFO的转发机制，其原理如图3所示。

    依据图3，当STM32F105接收到新的报文时，经过数据处理模块处理，在主监控程序负责下，对两路bxCAN控制器的接收FIFO缓冲区进行监视，如某一路缓冲区非空则向另一路转发。
    STM32F105发送报文的流程为：应用程序选择1个空置的发送邮箱；设置标识符，数据长度和待发送数据；然后对CAN_TIxR寄存器的TXRQ位置1，来请求发送。TXRQ位置1后，邮箱就不再是空邮箱；而一旦邮箱不再为空置，软件对邮箱寄存器就不再有写的权限。TXRQ位置1后，邮箱马上进入挂号状态，并等待成为最高优先级的邮箱。一旦邮箱成为最高优先级的邮箱，其状态就变为预定发送状态。当CAN总线进入空闲状态，预定发送邮箱中的报文就马上被发送(进入发送状态)。在邮箱中的报文被成功发送后，它马上变为空置邮箱；硬件相应地对CAN_TSR寄存器的RQCP和TXOK位置1，来表明一次成功发送。
2．3 数据接收模块
    为了提高中继器数据传输的实时性，CAN报文的接收采用中断方式。所以在CAN初始化过程中应该通过调用STM32固件库函数voidCAN_IT-Config(CAN_TypeDef*CANx，uint32_t CAN_IT，FunctionalState Newstate)来开启CAN1和CAN2的中断。在接收时通过判断其标志位来确定是CAN1还是CAN2产生的中断，以此进入中断函数void CAN1_RX0_IRQHandler(void)和voidCAN2 RX0_IRQHandler(void)对收到的报文进行处理。即：在接收一个报文时，其标识符首先与配置在标识符列表模式下的过滤器相比较。如果匹配上，报文就被存放到相关联的FIFO中，并且所匹配的过滤器的序号被存入过滤器匹配序号中；如果没有匹配，报文标识符接着与配置在屏蔽位模式下的过滤器进行比较；如果报文标识符没有跟过滤器中的任何标识符相匹配，那么硬件就丢弃该报文，且不会对软件有任何打扰。数据接收模块流程如图4所示。

3 系统在齐玛印花机上的应用
    在齐玛印花机CAN通信系统中，CF101板是控制主板，上面具有CAN中继器的功能，其他3个操作板是从节点。系统利用中继器将整个网络的通信系统分为两层，由中继器对主节点和从节点之间的报文进行转发。为了完成对工程的改造，将笔者所设计的CAN中继器代替CF101主板，另外3个节点电路同样采用STM32来设计。
    笔者所设计的CAN中继器现在绍兴某公司进行测试。在实际应用中，将中继器的一端和网络主干线连接，另一端和操作板及显示板连接。就最近3个月的测试结果表明：该系统能够和原设备正常通信，保证印花机的正常工作且性能稳定可靠；维护和扩容方便，大大提高了印花机工作效率，并更大程度地降低了设备成本。

4 结论
    本文所设计的CAN总线中继器，充分利用以Cortex-M3为内核的STM32的优势，内部集成双bxCAN控制器简化了硬件电路的设计；丰富的固件库函数缩短了开发周期。实践表明，基于STM32的CAN中继器完成了各项设计指标，符合工程的要求，在齐玛印花机系统中能够有效的完成数据的转发和网络的拓展，具有较高的性价比。