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。