摘 要： 根據CAN總線技術特點，利用ARM STM32F107芯片和通用CAN收發器CTM8251T，給出了基于CAN總線智能節點的硬件和軟件設計方法，并實現了智能節點之間的通信。實際應用表明，該智能節點工作穩定可靠，具有較強的抗干擾能力。
關鍵詞： CAN總線；CAN收發器；智能節點
1 CAN總線技術特點
CAN(Controller Area Network)控制器局域網絡是在20世紀80年代初由德國Bosch公司為解決現代汽車中眾多的測控儀器之間的數據交換而設計的一種有效支持分布式實時控制的串行數據通信網絡[1]。1993年11月ISO正式頒布了CAN國際標準(ISO 11898)，它以半雙工方式工作,采用基于數據的傳輸機制，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜, 其通信速率可達1 Mb/s，最大傳輸距離可達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。網絡上任一節點均可在任意時刻主動地且不分主從地向網絡上其他節點發送信息，同時將節點信息分不同的優先級，可滿足不同的實時需求。
（2）可靠性高。節點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉輸出功能，切斷自身與總線的聯系，使總線上其他節點的操作不受影響。
（3）完善的錯誤監測機制。采用短幀結構，傳輸時延短，受干擾概率低，每幀信息都進行16 bit的CRC 校驗及其他校驗措施，使數據出錯率極低。
這些優良的特性使CAN總線在汽車工業、機械工業、醫療器械及傳感器等領域得以廣泛應用。CAN總線被公認為極具發展前途的現場總線之一。
2 CAN總線智能節點設計
2.1 CAN總線智能節點硬件電路設計
本文中的CAN總線智能節點通信模塊采用ARM STM32F107芯片作為CAN節點的微處理器，在CAN總線通信接口中，采用一款帶隔離的通用CAN收發器芯片CTM8251T。本著智能節點結構簡單、易于擴展以及能穩定可靠地進行通信的設計目標，設計了CAN總線智能節點硬件電路原理圖，如圖1所示。從圖中可以看出，電路主要由兩部分構成：ARM微控制器STM32F107和通用CAN收發器CTM8251T[3]。
STM32F107芯片是意法半導體公司推出的一款STM32互連型系列、內核為ARM Cortex-M3的32位高性能微控制器。通用CAN收發器CTM8251T是用于CAN控制器和CAN總線之間的接口芯片，波特率是自適應的，其內部集成了所有通信必需的CAN隔離及CAN收發器件。此外，該芯片還具有自動熱關斷保護、未上電節點或者處于欠壓狀態的節點不會影響CAN總線、高壓瞬態保護等特點。
2.2 CAN總線智能節點通信軟件設計
CAN總線智能節點軟件設計的核心部分包括CAN智能節點初始化、CAN報文發送和CAN報文接收。根據STM32F107內部的PeliCAN的具體結構，需要對STM32F107芯片進行正確的初始化、報文發送和接收等操作[4]。
（1）CAN智能節點初始化
下面分別給出波特率和報文接收濾波器的設置方法。
①波特率的設置。波特率是CAN總線傳輸的一個重要參數，在應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視串行數據通信的CAN總線，并且通過與幀起始位的邊沿進行同步，即通過與后面的邊沿進行重新同步來調整其采樣點。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）。位時間特性原理結構如圖2所示。
由位時間特性原理結構可知，CAN網波特率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]位來設置，波特率分頻器(BRP[9：0])可通過CAN_BTR[9：0]位來設置。
由于選擇的通信波特率為250 kb/s，為了計算方便，可以按如下方式進行設置：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，以滿足應用程序的不同需求。此外過濾器可配置為屏蔽位模式和標識符列表模式，在屏蔽位模式下，標識符寄存器和屏蔽寄存器一起，指定報文標識符的任何一位，應該按照“必須匹配”（相應屏蔽位置為1）或“不用關心”（相應屏蔽位置為0）處理。本文采取的是屏蔽位模式，標識符寄存器中對應目的地址的1個字節位設置為本節點地址，屏蔽寄存器中對應目的地址的位全部置為1，剩余位置為0，則每個CAN節點都會收到目的地址為本節點地址的CAN報文，丟棄目的地址不是本節點地址的CAN報文。
（2）CAN智能節點的報文發送過程
STM32F107芯片提供一個專用的SRAM存儲器用于CAN報文的發送和接收，其中有3個郵箱供軟件來發送CAN報文，發送調度器根據優先級決定優先發送報文的郵箱。發送子程序主要負責CAN智能節點報文的發送。此發送子程序采用查詢發送方式，發送時只需要將待發送的數據按照表1所示的幀格式(擴展幀)組合成一幀CAN報文，送入CAN報文發送緩沖區，然后判斷發送緩沖區是否有空郵箱。若有空郵箱，則發送；否則等待直到有空郵箱然后發送。
（3）CAN智能節點的報文接收過程
STM32F107芯片提供2個接收緩沖區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。接收子程序主要負責CAN智能節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置使用接收緩沖區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智能節點初始化流程如圖3所示；CAN智能節點的報文發送流程如圖4所示；CAN智能節點的報文接收流程如圖5所示。
3 CAN總線智能節點間通信的實現
根據本文第二部分設計的CAN智能節點很容易實現節點之間的通信。為方便起見，本文構建了一個簡單的CAN網絡，包括兩個CAN智能節點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總線智能節點間通信的原理框圖如圖6所示。
假設節點Node1為管理節點，控制數據優先級設置為2，節點地址置為0x66；節點Node2為從設備節點，查詢應答優先級設置為3，節點地址為0x88；若數據長度小于或等于8 B，則不需要分段，其分段傳輸標志置為0，采用無組播發送，其組播碼置為0000B，應答位Ack均置為0。依據表1中規定的CAN報文標識符和數據幀格式定義，定義了如下4種CAN報文： CAN網工作狀態查詢命令、CAN網工作狀態應答命令、設備復位命令和設備復位報告命令。
(1)CAN網工作狀態查詢命令幀標識符定義為0x408866a0，其報文數據部分設置如表2所示。
(2)CAN網工作狀態應答命令幀標識符定義為0x60668810，其報文數據部分設置如表3所示。
(3)設備復位命令幀標識符定義為0x40-886600，其報文數據部分設置如表4所示。
(4)設備復位報告命令幀標識符定義為0x446688f0，其報文數據部分設置如表5所示。
現在讓管理節點Node1與從設備節點Node2進行通信，用上位機軟件來監視節點Node1與節點Node2通信過程中發送的CAN報文數據，實驗結果如圖7所示。
分析圖7的實驗結果：4個在第0路CAN上傳輸的CAN報文的幀格式均為數據幀，幀類型為擴展幀；由第0條CAN報文幀標識符0x408866a0可知，報文優先級為2，目的地址為0x88，源地址為0x66，說明該報文是管理節點Node1發向從設備節點Node2的CAN網工作狀態查詢命令；由第1條CAN報文幀標識符0x60668810可知，報文優先級為3，目的地址為0x66，源地址為0x88，說明該報文是從設備節點Node2發向管理節點Node1的對CAN網工作狀態查詢命令的應答命令，此外由DATA4=0x00，DATA5=0x00可知，CAN錯誤狀態寄存器接收計數器和發送計數器值均為0，說明CAN網是穩定可靠的；由第2條CAN報文幀標識符0x40886600可知，報文優先級為2，目的地址為0x88，源地址為0x66，說明該報文是管理節點Node1發向從設備節點Node2的設備復位命令；由第3條CAN報文幀標識符0x406688f0可知，報文優先級為2，目的地址為0x66，源地址為0x88，說明該報文是從設備節點Node2發向管理節點Node1的設備復位報告命令，即對設備復位命令的回應報文。
本文設計的CAN總線智能節點已應用于車載控制系統中。應用結果表明，利用ARM STM32F107芯片和通用CAN收發器CTM8251T芯片設計的CAN總線智能節點具有結構簡單、節點易于擴展、系統運行穩定可靠、實時性好、抗干擾能力強等特點，具有良好的應用前景。
參考文獻
[1] 吳文珍，韓玉祥，司光宇，等.基于CAN總線智能檢測儀的設計[J].大慶石油學院學報，2009，29(5)：85-87.
[2] 饒運濤，鄒繼軍，王進宏，等.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.
[3] 王月嬌，朱家駒.CAN總線智能測控節點的設計[J].湖北大學學報，2005，27(2)：133-136.
[4] 徐愛鈞.IAR EMARM V5嵌入式系統應用編程與開發[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2009.