摘 要： 根據(jù)CAN總線技術(shù)特點,，利用ARM STM32F107芯片和通用CAN收發(fā)器CTM8251T,，給出了基于CAN總線智能節(jié)點的硬件和軟件設(shè)計方法，并實現(xiàn)了智能節(jié)點之間的通信,。實際應(yīng)用表明,，該智能節(jié)點工作穩(wěn)定可靠，具有較強的抗干擾能力,。
關(guān)鍵詞： CAN總線,；CAN收發(fā)器；智能節(jié)點
1 CAN總線技術(shù)特點
CAN(Controller Area Network)控制器局域網(wǎng)絡(luò)是在20世紀(jì)80年代初由德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的測控儀器之間的數(shù)據(jù)交換而設(shè)計的一種有效支持分布式實時控制的串行數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)[1],。1993年11月ISO正式頒布了CAN國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 11898),，它以半雙工方式工作,采用基于數(shù)據(jù)的傳輸機制，通信介質(zhì)可以是雙絞線,、同軸電纜, 其通信速率可達(dá)1 Mb/s,，最大傳輸距離可達(dá)10 km（速率在5 kb/s以下）。CAN總線的主要特點[2]為：
（1）多主技術(shù),。網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地且不分主從地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息,，同時將節(jié)點信息分不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時需求,。
（2）可靠性高,。節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉輸出功能,，切斷自身與總線的聯(lián)系,，使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。
（3）完善的錯誤監(jiān)測機制,。采用短幀結(jié)構(gòu),，傳輸時延短，受干擾概率低,，每幀信息都進(jìn)行16 bit的CRC 校驗及其他校驗措施,，使數(shù)據(jù)出錯率極低。
這些優(yōu)良的特性使CAN總線在汽車工業(yè),、機械工業(yè),、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用,。CAN總線被公認(rèn)為極具發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一。
2 CAN總線智能節(jié)點設(shè)計
2.1 CAN總線智能節(jié)點硬件電路設(shè)計
本文中的CAN總線智能節(jié)點通信模塊采用ARM STM32F107芯片作為CAN節(jié)點的微處理器,，在CAN總線通信接口中,，采用一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器芯片CTM8251T。本著智能節(jié)點結(jié)構(gòu)簡單,、易于擴展以及能穩(wěn)定可靠地進(jìn)行通信的設(shè)計目標(biāo)，設(shè)計了CAN總線智能節(jié)點硬件電路原理圖,，如圖1所示,。從圖中可以看出，電路主要由兩部分構(gòu)成：ARM微控制器STM32F107和通用CAN收發(fā)器CTM8251T[3],。
STM32F107芯片是意法半導(dǎo)體公司推出的一款STM32互連型系列,、內(nèi)核為ARM Cortex-M3的32位高性能微控制器。通用CAN收發(fā)器CTM8251T是用于CAN控制器和CAN總線之間的接口芯片,，波特率是自適應(yīng)的,，其內(nèi)部集成了所有通信必需的CAN隔離及CAN收發(fā)器件。此外,，該芯片還具有自動熱關(guān)斷保護(hù),、未上電節(jié)點或者處于欠壓狀態(tài)的節(jié)點不會影響CAN總線、高壓瞬態(tài)保護(hù)等特點,。
2.2 CAN總線智能節(jié)點通信軟件設(shè)計
CAN總線智能節(jié)點軟件設(shè)計的核心部分包括CAN智能節(jié)點初始化,、CAN報文發(fā)送和CAN報文接收。根據(jù)STM32F107內(nèi)部的PeliCAN的具體結(jié)構(gòu),，需要對STM32F107芯片進(jìn)行正確的初始化,、報文發(fā)送和接收等操作[4]。
（1）CAN智能節(jié)點初始化
下面分別給出波特率和報文接收濾波器的設(shè)置方法,。
①波特率的設(shè)置,。波特率是CAN總線傳輸?shù)囊粋€重要參數(shù)，在應(yīng)用中選擇的波特率為250 kb/s,。位時間特性邏輯通過采樣來監(jiān)視串行數(shù)據(jù)通信的CAN總線,，并且通過與幀起始位的邊沿進(jìn)行同步，即通過與后面的邊沿進(jìn)行重新同步來調(diào)整其采樣點,。簡單地說就是把名義上的每位時間分為三段,，包括同步段(SYN_SEG)、時間段1(BS1),、時間段2（BS2）,。位時間特性原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。
由位時間特性原理結(jié)構(gòu)可知,，CAN網(wǎng)波特率BaudRate=1/NominalBitTime,，其中名義上的位時間NominalBitTime=1×tq+tBS1+tBS2,，時間段1：tBS1=tq×(TS1[3：0]+1)，時間段2：tBS2=tq×(TS2[2：0]+1),，時間片tq=(BRP[9：0]+1)×tPCLK,，tPCLK=1/36 MHz為APB的時鐘周期，時間段1(TS1[3：0])可通過位時間特性寄存器CAN_BTR[19：16]位來設(shè)置,，時間段2(TS2[2：0])可通過位時間特性寄存器CAN_BTR[22：20]位來設(shè)置,，波特率分頻器(BRP[9：0])可通過CAN_BTR[9：0]位來設(shè)置。
由于選擇的通信波特率為250 kb/s,，為了計算方便,，可以按如下方式進(jìn)行設(shè)置：TS1[3：0]=0x08，TS2[2：0]=0x05,，BRP[9：0]=0x09,，則時間片tq=0.25μs，名義上的位時間NominalBitTime=16tq=4 μs,，BaudRate=1/NominalBitTime=250 kb/s,。
②接收濾波器的設(shè)置。STM32F107芯片共有14組過濾器,，每組過濾器的位寬都可以獨立配置,，以滿足應(yīng)用程序的不同需求。此外過濾器可配置為屏蔽位模式和標(biāo)識符列表模式,，在屏蔽位模式下,，標(biāo)識符寄存器和屏蔽寄存器一起，指定報文標(biāo)識符的任何一位,，應(yīng)該按照“必須匹配”（相應(yīng)屏蔽位置為1）或“不用關(guān)心”（相應(yīng)屏蔽位置為0）處理,。本文采取的是屏蔽位模式，標(biāo)識符寄存器中對應(yīng)目的地址的1個字節(jié)位設(shè)置為本節(jié)點地址,，屏蔽寄存器中對應(yīng)目的地址的位全部置為1,，剩余位置為0，則每個CAN節(jié)點都會收到目的地址為本節(jié)點地址的CAN報文,，丟棄目的地址不是本節(jié)點地址的CAN報文,。
（2）CAN智能節(jié)點的報文發(fā)送過程
STM32F107芯片提供一個專用的SRAM存儲器用于CAN報文的發(fā)送和接收，其中有3個郵箱供軟件來發(fā)送CAN報文,，發(fā)送調(diào)度器根據(jù)優(yōu)先級決定優(yōu)先發(fā)送報文的郵箱,。發(fā)送子程序主要負(fù)責(zé)CAN智能節(jié)點報文的發(fā)送。此發(fā)送子程序采用查詢發(fā)送方式,，發(fā)送時只需要將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按照表1所示的幀格式(擴展幀)組合成一幀CAN報文,，送入CAN報文發(fā)送緩沖區(qū)，然后判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否有空郵箱。若有空郵箱,，則發(fā)送,；否則等待直到有空郵箱然后發(fā)送。
（3）CAN智能節(jié)點的報文接收過程
STM32F107芯片提供2個接收緩沖區(qū)FIFO,，每個FIFO都可以存放3個完整的CAN報文,，它們完全由硬件來管理。接收子程序主要負(fù)責(zé)CAN智能節(jié)點報文的接收及其他情況處理,。此接收子程序采用中斷接收方式和設(shè)置使用接收緩沖區(qū)FIFO_0存放接收到的CAN報文,，在接收到一個CAN報文后，就可以通過訪問FIFO_0來讀取它,，一旦報文被處理,，接收緩沖區(qū)FIFO_0就會被釋放，以便為后面收到的報文留出足夠的存儲空間,。
（4）程序流程圖
CAN智能節(jié)點初始化流程如圖3所示；CAN智能節(jié)點的報文發(fā)送流程如圖4所示,；CAN智能節(jié)點的報文接收流程如圖5所示,。
3 CAN總線智能節(jié)點間通信的實現(xiàn)
根據(jù)本文第二部分設(shè)計的CAN智能節(jié)點很容易實現(xiàn)節(jié)點之間的通信。為方便起見,，本文構(gòu)建了一個簡單的CAN網(wǎng)絡(luò),，包括兩個CAN智能節(jié)點Node1和Node2、兩個120 ?贅的端接電阻,、兩根20 m的屏蔽雙絞線,、一塊CAN適配器卡和一臺PC機。CAN總線智能節(jié)點間通信的原理框圖如圖6所示,。
假設(shè)節(jié)點Node1為管理節(jié)點,，控制數(shù)據(jù)優(yōu)先級設(shè)置為2，節(jié)點地址置為0x66,；節(jié)點Node2為從設(shè)備節(jié)點,，查詢應(yīng)答優(yōu)先級設(shè)置為3，節(jié)點地址為0x88,；若數(shù)據(jù)長度小于或等于8 B,，則不需要分段，其分段傳輸標(biāo)志置為0,，采用無組播發(fā)送,，其組播碼置為0000B，應(yīng)答位Ack均置為0,。依據(jù)表1中規(guī)定的CAN報文標(biāo)識符和數(shù)據(jù)幀格式定義,，定義了如下4種CAN報文： CAN網(wǎng)工作狀態(tài)查詢命令、CAN網(wǎng)工作狀態(tài)應(yīng)答命令、設(shè)備復(fù)位命令和設(shè)備復(fù)位報告命令,。
(1)CAN網(wǎng)工作狀態(tài)查詢命令幀標(biāo)識符定義為0x408866a0,，其報文數(shù)據(jù)部分設(shè)置如表2所示。
(2)CAN網(wǎng)工作狀態(tài)應(yīng)答命令幀標(biāo)識符定義為0x60668810,，其報文數(shù)據(jù)部分設(shè)置如表3所示,。
(3)設(shè)備復(fù)位命令幀標(biāo)識符定義為0x40-886600，其報文數(shù)據(jù)部分設(shè)置如表4所示,。
(4)設(shè)備復(fù)位報告命令幀標(biāo)識符定義為0x446688f0,，其報文數(shù)據(jù)部分設(shè)置如表5所示。
現(xiàn)在讓管理節(jié)點Node1與從設(shè)備節(jié)點Node2進(jìn)行通信,，用上位機軟件來監(jiān)視節(jié)點Node1與節(jié)點Node2通信過程中發(fā)送的CAN報文數(shù)據(jù),，實驗結(jié)果如圖7所示。
分析圖7的實驗結(jié)果：4個在第0路CAN上傳輸?shù)腃AN報文的幀格式均為數(shù)據(jù)幀,，幀類型為擴展幀,；由第0條CAN報文幀標(biāo)識符0x408866a0可知，報文優(yōu)先級為2,，目的地址為0x88,，源地址為0x66，說明該報文是管理節(jié)點Node1發(fā)向從設(shè)備節(jié)點Node2的CAN網(wǎng)工作狀態(tài)查詢命令,；由第1條CAN報文幀標(biāo)識符0x60668810可知,，報文優(yōu)先級為3，目的地址為0x66,，源地址為0x88,，說明該報文是從設(shè)備節(jié)點Node2發(fā)向管理節(jié)點Node1的對CAN網(wǎng)工作狀態(tài)查詢命令的應(yīng)答命令，此外由DATA4=0x00,，DATA5=0x00可知,，CAN錯誤狀態(tài)寄存器接收計數(shù)器和發(fā)送計數(shù)器值均為0，說明CAN網(wǎng)是穩(wěn)定可靠的,；由第2條CAN報文幀標(biāo)識符0x40886600可知,，報文優(yōu)先級為2，目的地址為0x88,，源地址為0x66,，說明該報文是管理節(jié)點Node1發(fā)向從設(shè)備節(jié)點Node2的設(shè)備復(fù)位命令；由第3條CAN報文幀標(biāo)識符0x406688f0可知,，報文優(yōu)先級為2,，目的地址為0x66，源地址為0x88,，說明該報文是從設(shè)備節(jié)點Node2發(fā)向管理節(jié)點Node1的設(shè)備復(fù)位報告命令,，即對設(shè)備復(fù)位命令的回應(yīng)報文,。
本文設(shè)計的CAN總線智能節(jié)點已應(yīng)用于車載控制系統(tǒng)中。應(yīng)用結(jié)果表明,，利用ARM STM32F107芯片和通用CAN收發(fā)器CTM8251T芯片設(shè)計的CAN總線智能節(jié)點具有結(jié)構(gòu)簡單,、節(jié)點易于擴展、系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,、實時性好,、抗干擾能力強等特點，具有良好的應(yīng)用前景,。
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