摘要：CAN中繼器是系統(tǒng)組網(wǎng)的關(guān)鍵，通過中繼器可以擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和實(shí)現(xiàn)不同波特率之間的通信。本文充分利用STM32F105內(nèi)部集成雙bx CAN控制器的特性，設(shè)計(jì)出一款基于STM32的單芯片CAN總線中繼器，并將其應(yīng)用到齊瑪印花機(jī)上。實(shí)踐證明該方法有效可行，不僅實(shí)現(xiàn)了齊瑪印花機(jī)的改造，還降低了系統(tǒng)設(shè)備的成本。
關(guān)鍵詞：CAN總線；中繼器；STM32F105；齊瑪印花機(jī)
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(shí)時(shí)性、遠(yuǎn)程通信能力以及超強(qiáng)的硬件CRC糾錯(cuò)等特性；CAN總線技術(shù)的應(yīng)用不再僅限于汽車行業(yè)，而是擴(kuò)展到了機(jī)械、紡織、控制等行業(yè)，并被公認(rèn)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(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)被分別限制在10 km和110個(gè)之內(nèi)。但是在稍大型的CAN總線系統(tǒng)中，這往往是不夠的，這時(shí)就需要用CAN總線中繼器對CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展。
CAN中繼器是系統(tǒng)組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備之一，使用中繼器可以提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的靈活性，并且通過中繼器還可以連接兩個(gè)不同波特率的CAN總線網(wǎng)絡(luò)；在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，極大地?cái)U(kuò)展其使用范圍。基于此，本文設(shè)計(jì)出一款基于STM32的CAN總線中繼器，并將其應(yīng)用到齊瑪印花機(jī)上，完成圓網(wǎng)印花機(jī)通信系統(tǒng)的工程改造。
1 系統(tǒng)整體方案及硬件實(shí)現(xiàn)
以往的CAN中繼器設(shè)計(jì)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(xiàn)使用1片MCU加2路CAN控制器的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)中繼器；參考文獻(xiàn)使用雙MCU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CAN總線中繼器；參考文獻(xiàn)使用獨(dú)立雙CAN控制器作為2路CAN接口的控制器來設(shè)計(jì)CAN中繼器。上述方案電路復(fù)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(dǎo)體的STM32是以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的32位微處理器，主頻可高達(dá)72 MHz，內(nèi)置Flash和SRAM，其容量可分別高達(dá)512 KB和64 KB；內(nèi)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(dá)1 Mb／s，具有3個(gè)發(fā)送郵箱和2個(gè)3級深度的FIFO，能夠以最小的CPU負(fù)荷來高效處理大量收到的報(bào)文。基于此，選用STM32F105作為主控制器，設(shè)計(jì)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(nèi)部集成了雙路CAN控制器，CAN中繼器的節(jié)點(diǎn)電路變得十分簡單，其硬件電路如圖2所示。
以往的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)中一反常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，直接采用廣州致遠(yuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)，因此，它可以和其他遵從ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的CAN收發(fā)器產(chǎn)品互操作。
實(shí)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(diǎn)外圍電路的復(fù)雜度，還降低了成本，有較高的性價(jià)比。
圖2中120 Ω為可選用的終端匹配電阻，如果網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)有一對匹配電阻，則不使用該電阻。另外，電路中設(shè)計(jì)有相應(yīng)的撥碼開關(guān)電路用于CAN網(wǎng)絡(luò)的ID標(biāo)志和設(shè)置相應(yīng)的波特率。
2 中繼器的軟件實(shí)現(xiàn)
CAN中繼器的主要任務(wù)是在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的過濾和轉(zhuǎn)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(guān)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(shè)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(diào)用的時(shí)間作出相應(yīng)的設(shè)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(guān)鍵的環(huán)節(jié)是怎么設(shè)置CAN的波特率，STM32數(shù)據(jù)手冊給出了波特率的計(jì)算公式：
其中tq為CAN時(shí)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(shí)鐘有APB1提供。假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為72 MHz，APB1為系統(tǒng)時(shí)鐘的9分頻，結(jié)合初始化子程序，CAN_Prescaler=1，帶入波特率計(jì)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(shè)置的得當(dāng)與否是CAN是否能夠成功接收信息的關(guān)鍵，尤其在過濾器組位寬和模式設(shè)計(jì)上，如何將節(jié)點(diǎn)的ID號準(zhǔn)確地映射到過濾器組位寬設(shè)置寄存器上是過濾器的核心。為了過濾出一組標(biāo)識符，設(shè)置過濾器工作在屏蔽位模式下，對標(biāo)識符的任何一位采用“必須匹配”或“不用關(guān)心”的原則處理。
2．2 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊
中繼器的任務(wù)之一就是實(shí)現(xiàn)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。STM32F105內(nèi)部集成了雙bxCAN控制器，它包括3個(gè)發(fā)送郵箱和2個(gè)3級深度的FIFO。結(jié)合STM32-F105的特性，采用雙FIFO的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，其原理如圖3所示。
依據(jù)圖3，當(dāng)STM32F105接收到新的報(bào)文時(shí)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊處理，在主監(jiān)控程序負(fù)責(zé)下，對兩路bxCAN控制器的接收FIFO緩沖區(qū)進(jìn)行監(jiān)視，如某一路緩沖區(qū)非空則向另一路轉(zhuǎn)發(fā)。
STM32F105發(fā)送報(bào)文的流程為：應(yīng)用程序選擇1個(gè)空置的發(fā)送郵箱；設(shè)置標(biāo)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(quán)限。TXRQ位置1后，郵箱馬上進(jìn)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(yù)定發(fā)送狀態(tài)。當(dāng)CAN總線進(jìn)入空閑狀態(tài)，預(yù)定發(fā)送郵箱中的報(bào)文就馬上被發(fā)送(進(jìn)入發(fā)送狀態(tài))。在郵箱中的報(bào)文被成功發(fā)送后，它馬上變?yōu)榭罩绵]箱；硬件相應(yīng)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?shí)時(shí)性，CAN報(bào)文的接收采用中斷方式。所以在CAN初始化過程中應(yīng)該通過調(diào)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(shí)通過判斷其標(biāo)志位來確定是CAN1還是CAN2產(chǎn)生的中斷，以此進(jìn)入中斷函數(shù)void CAN1_RX0_IRQHandler(void)和voidCAN2 RX0_IRQHandler(void)對收到的報(bào)文進(jìn)行處理。即：在接收一個(gè)報(bào)文時(shí)，其標(biāo)識符首先與配置在標(biāo)識符列表模式下的過濾器相比較。如果匹配上，報(bào)文就被存放到相關(guān)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(bào)文標(biāo)識符接著與配置在屏蔽位模式下的過濾器進(jìn)行比較；如果報(bào)文標(biāo)識符沒有跟過濾器中的任何標(biāo)識符相匹配，那么硬件就丟棄該報(bào)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(jī)上的應(yīng)用
在齊瑪印花機(jī)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(gè)操作板是從節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)利用中繼器將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)分為兩層，由中繼器對主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)之間的報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。為了完成對工程的改造，將筆者所設(shè)計(jì)的CAN中繼器代替CF101主板，另外3個(gè)節(jié)點(diǎn)電路同樣采用STM32來設(shè)計(jì)。
筆者所設(shè)計(jì)的CAN中繼器現(xiàn)在紹興某公司進(jìn)行測試。在實(shí)際應(yīng)用中，將中繼器的一端和網(wǎng)絡(luò)主干線連接，另一端和操作板及顯示板連接。就最近3個(gè)月的測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠和原設(shè)備正常通信，保證印花機(jī)的正常工作且性能穩(wěn)定可靠；維護(hù)和擴(kuò)容方便，大大提高了印花機(jī)工作效率，并更大程度地降低了設(shè)備成本。
4 結(jié)論
本文所設(shè)計(jì)的CAN總線中繼器，充分利用以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32的優(yōu)勢，內(nèi)部集成雙bxCAN控制器簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)；豐富的固件庫函數(shù)縮短了開發(fā)周期。實(shí)踐表明，基于STM32的CAN中繼器完成了各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，符合工程的要求，在齊瑪印花機(jī)系統(tǒng)中能夠有效的完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)的拓展，具有較高的性價(jià)比。