摘要：CAN中繼器是系統組網的關鍵，通過中繼器可以擴展節點的數量和實現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，不僅實現了齊瑪印花機的改造，還降低了系統設備的成本。
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，具有優良的穩定性、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，而是擴展到了機械、紡織、控制等行業，并被公認為是最有前途的現場總線之一。然而由于受制于CAN收發器，CAN總線通信距離和網絡中節點數被分別限制在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總線網絡進行擴展。
CAN中繼器是系統組網的關鍵技術設備之一，使用中繼器可以提高網絡設計的靈活性，并且通過中繼器還可以連接兩個不同波特率的CAN總線網絡；在兩個網絡間進行數據轉發，極大地擴展其使用范圍。基于此，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，完成圓網印花機通信系統的工程改造。
1 系統整體方案及硬件實現
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，數據吞吐速度慢，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協議V2．0A和V2．OB，波特率最高可達1 Mb／s，具有3個發送郵箱和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中繼器的節點電路變得十分簡單，其硬件電路如圖2所示。
以往的節點電路，為了降低生產現場的抗干擾能力，保證中繼器工作的可靠性，都采用多重的抗干擾措施。例如，大部分的節點電路都是采用在CAN控制器和收發器之間加入光電隔離器6N137來實現CAN節點之間的電氣隔離，采用外加DC／DC電源模塊的方法切斷系統電源的干擾。同樣著眼于提高系統的抗干擾能力和可靠性的問題，本設計中一反常規的設計方法，直接采用廣州致遠電子有限公司生產的CAN通用收發器CTM8251。
CTM8251是一款帶隔離的通用CAN收發器芯片，該芯片內部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收發器件，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收發器產品互操作。
實踐證明采用CTM8251不僅使系統真正與外接隔離開，抑制了干擾的串入提高系統的可靠性，簡化了CAN節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，如果網絡中已經有一對匹配電阻，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網絡的ID標志和設置相應的波特率。
2 中繼器的軟件實現
CAN中繼器的主要任務是在兩個網絡中進行數據的過濾和轉發。其軟件主要包括以下模塊：初始化模塊、數據發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開發商提供了大量的固件庫函數，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節是怎么設置CAN的波特率，STM32數據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。假設系統時鐘為72 MHz，APB1為系統時鐘的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 數據發送模塊
中繼器的任務之一就是實現報文的轉發。STM32F105內部集成了雙bxCAN控制器，它包括3個發送郵箱和2個3級深度的FIFO。結合STM32-F105的特性，采用雙FIFO的轉發機制，其原理如圖3所示。
依據圖3，當STM32F105接收到新的報文時，經過數據處理模塊處理，在主監控程序負責下，對兩路bxCAN控制器的接收FIFO緩沖區進行監視，如某一路緩沖區非空則向另一路轉發。
STM32F105發送報文的流程為：應用程序選擇1個空置的發送郵箱；設置標識符，數據長度和待發送數據；然后對CAN_TIxR寄存器的TXRQ位置1，來請求發送。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，并等待成為最高優先級的郵箱。一旦郵箱成為最高優先級的郵箱，其狀態就變為預定發送狀態。當CAN總線進入空閑狀態，預定發送郵箱中的報文就馬上被發送(進入發送狀態)。在郵箱中的報文被成功發送后，它馬上變為空置郵箱；硬件相應地對CAN_TSR寄存器的RQCP和TXOK位置1，來表明一次成功發送。
2．3 數據接收模塊
為了提高中繼器數據傳輸的實時性，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voidCAN_IT-Config(CAN_TypeDef*CANx，uint32_t CAN_IT，FunctionalState 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產生的中斷，以此進入中斷函數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。數據接收模塊流程如圖4所示。
3 系統在齊瑪印花機上的應用
在齊瑪印花機CAN通信系統中，CF101板是控制主板，上面具有CAN中繼器的功能，其他3個操作板是從節點。系統利用中繼器將整個網絡的通信系統分為兩層，由中繼器對主節點和從節點之間的報文進行轉發。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個節點電路同樣采用STM32來設計。
筆者所設計的CAN中繼器現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：該系統能夠和原設備正常通信，保證印花機的正常工作且性能穩定可靠；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；豐富的固件庫函數縮短了開發周期。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，在齊瑪印花機系統中能夠有效的完成數據的轉發和網絡的拓展，具有較高的性價比。