摘 要： 根據(jù)CAN總線技術(shù)特點(diǎn)，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(diǎn)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法，并實(shí)現(xiàn)了智能節(jié)點(diǎn)之間的通信。實(shí)際應(yīng)用表明，該智能節(jié)點(diǎn)工作穩(wěn)定可靠，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。
關(guān)鍵詞： CAN總線；CAN收發(fā)器；智能節(jié)點(diǎn)
1 CAN總線技術(shù)特點(diǎn)
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(guó)Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多的測(cè)控儀器之間的數(shù)據(jù)交換而設(shè)計(jì)的一種有效支持分布式實(shí)時(shí)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(guó)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(jī)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(diǎn)[2]為：
（1）多主技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地且不分主從地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，同時(shí)將節(jié)點(diǎn)信息分不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)需求。
（2）可靠性高。節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)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(diǎn)的操作不受影響。
（3）完善的錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)機(jī)制。采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)延短，受干擾概率低，每幀信息都進(jìn)行16 bit的CRC 校驗(yàn)及其他校驗(yàn)措施，使數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。
這些優(yōu)良的特性使CAN總線在汽車(chē)工業(yè)、機(jī)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(chǎng)總線之一。
2 CAN總線智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
2.1 CAN總線智能節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)
本文中的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)通信模塊采用ARM STM32F107芯片作為CAN節(jié)點(diǎn)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(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展以及能穩(wěn)定可靠地進(jìn)行通信的設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了CAN總線智能節(jié)點(diǎn)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(dòng)熱關(guān)斷保護(hù)、未上電節(jié)點(diǎn)或者處于欠壓狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)不會(huì)影響CAN總線、高壓瞬態(tài)保護(hù)等特點(diǎn)。
2.2 CAN總線智能節(jié)點(diǎn)通信軟件設(shè)計(jì)
CAN總線智能節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)的核心部分包括CAN智能節(jié)點(diǎn)初始化、CAN報(bào)文發(fā)送和CAN報(bào)文接收。根據(jù)STM32F107內(nèi)部的PeliCAN的具體結(jié)構(gòu)，需要對(duì)STM32F107芯片進(jìn)行正確的初始化、報(bào)文發(fā)送和接收等操作[4]。
（1）CAN智能節(jié)點(diǎn)初始化
下面分別給出波特率和報(bào)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€(gè)重要參數(shù)，在應(yīng)用中選擇的波特率為250 kb/s。位時(shí)間特性邏輯通過(guò)采樣來(lái)監(jiān)視串行數(shù)據(jù)通信的CAN總線，并且通過(guò)與幀起始位的邊沿進(jìn)行同步，即通過(guò)與后面的邊沿進(jìn)行重新同步來(lái)調(diào)整其采樣點(diǎn)。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是把名義上的每位時(shí)間分為三段，包括同步段(SYN_SEG)、時(shí)間段1(BS1)、時(shí)間段2（BS2）。位時(shí)間特性原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。
由位時(shí)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(shí)間NominalBitTime=1×tq+tBS1+tBS2，時(shí)間段1：tBS1=tq×(TS1[3：0]+1)，時(shí)間段2：tBS2=tq×(TS2[2：0]+1)，時(shí)間片tq=(BRP[9：0]+1)×tPCLK，tPCLK=1/36 MHz為APB的時(shí)鐘周期，時(shí)間段1(TS1[3：0])可通過(guò)位時(shí)間特性寄存器CAN_BTR[19：16]位來(lái)設(shè)置，時(shí)間段2(TS2[2：0])可通過(guò)位時(shí)間特性寄存器CAN_BTR[22：20]位來(lái)設(shè)置，波特率分頻器(BRP[9：0])可通過(guò)CAN_BTR[9：0]位來(lái)設(shè)置。
由于選擇的通信波特率為250 kb/s，為了計(jì)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(shí)間片tq=0.25μs，名義上的位時(shí)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(guò)濾器，每組過(guò)濾器的位寬都可以獨(dú)立配置，以滿足應(yīng)用程序的不同需求。此外過(guò)濾器可配置為屏蔽位模式和標(biāo)識(shí)符列表模式，在屏蔽位模式下，標(biāo)識(shí)符寄存器和屏蔽寄存器一起，指定報(bào)文標(biāo)識(shí)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(shí)符寄存器中對(duì)應(yīng)目的地址的1個(gè)字節(jié)位設(shè)置為本節(jié)點(diǎn)地址，屏蔽寄存器中對(duì)應(yīng)目的地址的位全部置為1，剩余位置為0，則每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到目的地址為本節(jié)點(diǎn)地址的CAN報(bào)文，丟棄目的地址不是本節(jié)點(diǎn)地址的CAN報(bào)文。
（2）CAN智能節(jié)點(diǎn)的報(bào)文發(fā)送過(guò)程
STM32F107芯片提供一個(gè)專(zhuān)用的SRAM存儲(chǔ)器用于CAN報(bào)文的發(fā)送和接收，其中有3個(gè)郵箱供軟件來(lái)發(fā)送CAN報(bào)文，發(fā)送調(diào)度器根據(jù)優(yōu)先級(jí)決定優(yōu)先發(fā)送報(bào)文的郵箱。發(fā)送子程序主要負(fù)責(zé)CAN智能節(jié)點(diǎn)報(bào)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(shí)只需要將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按照表1所示的幀格式(擴(kuò)展幀)組合成一幀CAN報(bào)文，送入CAN報(bào)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(diǎn)的報(bào)文接收過(guò)程
STM32F107芯片提供2個(gè)接收緩沖區(qū)FIFO，每個(gè)FIFO都可以存放3個(gè)完整的CAN報(bào)文，它們完全由硬件來(lái)管理。接收子程序主要負(fù)責(zé)CAN智能節(jié)點(diǎn)報(bào)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(bào)文，在接收到一個(gè)CAN報(bào)文后，就可以通過(guò)訪問(wèn)FIFO_0來(lái)讀取它，一旦報(bào)文被處理，接收緩沖區(qū)FIFO_0就會(huì)被釋放，以便為后面收到的報(bào)文留出足夠的存儲(chǔ)空間。
（4）程序流程圖
CAN智能節(jié)點(diǎn)初始化流程如圖3所示；CAN智能節(jié)點(diǎn)的報(bào)文發(fā)送流程如圖4所示；CAN智能節(jié)點(diǎn)的報(bào)文接收流程如圖5所示。
3 CAN總線智能節(jié)點(diǎn)間通信的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)本文第二部分設(shè)計(jì)的CAN智能節(jié)點(diǎn)很容易實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的通信。為方便起見(jiàn)，本文構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的CAN網(wǎng)絡(luò)，包括兩個(gè)CAN智能節(jié)點(diǎn)Node1和Node2、兩個(gè)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(tái)PC機(jī)。CAN總線智能節(jié)點(diǎn)間通信的原理框圖如圖6所示。
假設(shè)節(jié)點(diǎn)Node1為管理節(jié)點(diǎn)，控制數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置為2，節(jié)點(diǎn)地址置為0x66；節(jié)點(diǎn)Node2為從設(shè)備節(jié)點(diǎn)，查詢應(yīng)答優(yōu)先級(jí)設(shè)置為3，節(jié)點(diǎn)地址為0x88；若數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(wú)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(bào)文標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)幀格式定義，定義了如下4種CAN報(bào)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(bào)告命令。
(1)CAN網(wǎng)工作狀態(tài)查詢命令幀標(biāo)識(shí)符定義為0x408866a0，其報(bào)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(shí)符定義為0x60668810，其報(bào)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(shí)符定義為0x40-886600，其報(bào)文數(shù)據(jù)部分設(shè)置如表4所示。
(4)設(shè)備復(fù)位報(bào)告命令幀標(biāo)識(shí)符定義為0x446688f0，其報(bào)文數(shù)據(jù)部分設(shè)置如表5所示。
現(xiàn)在讓管理節(jié)點(diǎn)Node1與從設(shè)備節(jié)點(diǎn)Node2進(jìn)行通信，用上位機(jī)軟件來(lái)監(jiān)視節(jié)點(diǎn)Node1與節(jié)點(diǎn)Node2通信過(guò)程中發(fā)送的CAN報(bào)文數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。
分析圖7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：4個(gè)在第0路CAN上傳輸?shù)腃AN報(bào)文的幀格式均為數(shù)據(jù)幀，幀類(lèi)型為擴(kuò)展幀；由第0條CAN報(bào)文幀標(biāo)識(shí)符0x408866a0可知，報(bào)文優(yōu)先級(jí)為2，目的地址為0x88，源地址為0x66，說(shuō)明該報(bào)文是管理節(jié)點(diǎn)Node1發(fā)向從設(shè)備節(jié)點(diǎn)Node2的CAN網(wǎng)工作狀態(tài)查詢命令；由第1條CAN報(bào)文幀標(biāo)識(shí)符0x60668810可知，報(bào)文優(yōu)先級(jí)為3，目的地址為0x66，源地址為0x88，說(shuō)明該報(bào)文是從設(shè)備節(jié)點(diǎn)Node2發(fā)向管理節(jié)點(diǎn)Node1的對(duì)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(cuò)誤狀態(tài)寄存器接收計(jì)數(shù)器和發(fā)送計(jì)數(shù)器值均為0，說(shuō)明CAN網(wǎng)是穩(wěn)定可靠的；由第2條CAN報(bào)文幀標(biāo)識(shí)符0x40886600可知，報(bào)文優(yōu)先級(jí)為2，目的地址為0x88，源地址為0x66，說(shuō)明該報(bào)文是管理節(jié)點(diǎn)Node1發(fā)向從設(shè)備節(jié)點(diǎn)Node2的設(shè)備復(fù)位命令；由第3條CAN報(bào)文幀標(biāo)識(shí)符0x406688f0可知，報(bào)文優(yōu)先級(jí)為2，目的地址為0x66，源地址為0x88，說(shuō)明該報(bào)文是從設(shè)備節(jié)點(diǎn)Node2發(fā)向管理節(jié)點(diǎn)Node1的設(shè)備復(fù)位報(bào)告命令，即對(duì)設(shè)備復(fù)位命令的回應(yīng)報(bào)文。
本文設(shè)計(jì)的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)已應(yīng)用于車(chē)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(jì)的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)點(diǎn)易于擴(kuò)展、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。
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