本文針對CAN總線在現(xiàn)場運用中存在的一些限制因素，及煤礦井下液壓支架電液控制系統(tǒng)CAN總線組網(wǎng)控制中存在的問題，提出了一種基于意法半導體公司STM32單片機的單線CAN總線隔離中繼器。充分利用了STM32F105系列單片機內(nèi)部集成的雙bxCAN控制器和飛思卡爾MC33879的單線CAN收發(fā)器的特性，構成了一種軟中繼器。實踐證明該設計有效解決了多點供電、網(wǎng)絡規(guī)模限制、電磁兼容性的問題，對提高煤礦自動化生產(chǎn)安全和效率具有較大意義。
CAN總線是一種多主方式的串行通信總線，具有優(yōu)良的穩(wěn)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(yè)，而擴展到了能源、制造等行業(yè)，并被公認為是最有前途的現(xiàn)場總線之一；因此，CAN總線在煤礦各種系統(tǒng)中得到了越來越多的應用。由于受制于CAN收發(fā)器，CAN總線通信距離和網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)被分別限制在10 km和110個節(jié)點之內(nèi)。但在煤礦現(xiàn)場設備節(jié)點多、距離長、供電系統(tǒng)復雜系統(tǒng)中需要用CAN總線中繼器對CAN總線網(wǎng)絡進行擴展。
CAN中繼器是系統(tǒng)組網(wǎng)的關鍵技術設備之一，使用中繼器可以提高網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)和通信距離，并且可以連接兩個不同波特率的CAN總線網(wǎng)絡，極大地擴展其使用范圍。針對于此設計出了一種基于STM32的單線CAN總線隔離中繼器，并將于此應用到液壓支架電液控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了液壓支架間、液壓支架與上位機監(jiān)控系統(tǒng)的通信。
1 系統(tǒng)整體方案
CAN總線中繼器的設計方法一般2種：一種采用硬中繼方式，即只通過門電路與一些分立器件的組合來設計電路，但轉發(fā)效率不高；另一種采用軟中繼方式，即采用CPU來接收、轉發(fā)CAN總線兩側的數(shù)據(jù)，該方案雖然結構復雜，但轉發(fā)效率較高。兩側的數(shù)據(jù)經(jīng)過CPU接收后再轉發(fā)到另一側，軟中繼器的優(yōu)勢除了具有程序濾波和自診斷功能外，還能實現(xiàn)不同速率網(wǎng)段的連接，滿足實際應用要求；故本設計采用軟中繼的方式。
2 硬件設計
2．1 主控電路設計
為煤礦井下嚴酷的工業(yè)環(huán)境中設計的中繼器硬件電路除了需穩(wěn)定可靠外，還需保證其低功耗特性。該中繼器的CPU采用ST公司基于Cort ex—M3內(nèi)核的STM32F105系列單片機。STM32F105系列是專門針對快速和簡單的編程而設計的，可用于高度集成與低功耗工業(yè)應用。STM32F105系列的工作頻率可達到72 MHz，相對于同等性能的單片機，功耗卻要小很多。另外，它還帶有具有在系統(tǒng)編程(ISP)的128KB片上FLASH程序存儲器，從而為數(shù)據(jù)存儲與固件升級等操作帶來極大的靈活性。STM32F105系列內(nèi)部集成了2個獨立的CAN控制器，簡化了中繼器的硬件電路設計；其CAN控制器的驗收濾波器具有快速的硬件搜索算法，支持大量的CAN標識符，并且允許11位和29位CAN標識符的明確定義與分組定義，簡化了系統(tǒng)的軟件設計和運行負擔。
2．2 通信電路設計
CAN總線接口電路如圖2所示。圖中CAN收發(fā)器選用單線CAN收發(fā)器MC33897。它是飛思卡爾公司推出的用于由地構成回路的單總線CAN總線收發(fā)器芯片，主要用于多路傳輸應用方面。它為CAN總線控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸提供一單線的物理接口，也就是說相對傳統(tǒng)CAN總線收發(fā)器，它只需要一根信號線即可完成CAN總線通信，這為節(jié)點之間相互通信節(jié)省了通信成本，方便了系統(tǒng)的安裝和后期的維護。另外，CAN總線接口與CPU之間采用雙路磁耦ADuM1201隔離，相比于高速光耦，磁耦時延小且功耗小。該設計方法解決不同的支架間用不同電源供電信號不共地的傳輸問題，并且提高抗干擾的能力。
3 軟件設計
3．1 初始化子程序
STM32的CAN控制器初始化直接關系到CAN控制器能否正常工作。STM32的CAN控制器初始化主要包括CAN基本單元和過濾器的初始化。因為ST公司推出了一套針對于STM32的固件庫，所以只需在程序開始時做出相應的設置即可。在該初始化子程序中關鍵的環(huán)節(jié)是設置CAN的波特率，STM32數(shù)據(jù)手冊中的波特率的計算公式如下：
其中tq=(BRP[9：0]+1)xtPCLK。如上述CAN單元初始化子程序中：tBS1=tq×(TS1[3：0]+1)，tBS2=tqx(TS2[2：0]+1)，BRP[9：0]、TS1[3：0]和TS2[2：0]均在CAN_BTR寄存器中設置，STM32的CAN時鐘有APB1提供。假設系統(tǒng)時鐘為72 MHz，APB1為系統(tǒng)時鐘的9分頻，結合初始化子程序，BRP[9：0]=0、TS1[3：0]=7、TS2[2：0]=6，代入波特率計算公式即可求的其波特率為500Kb／s。在該中繼器中，CAN控制器的過濾器設置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。在中繼器中，由于需要轉發(fā)所有總線上的數(shù)據(jù)，則過濾器不必詳細設置，只需設置接收任何ID號的數(shù)據(jù)即可。
3．2 數(shù)據(jù)轉發(fā)子程序
中繼器的任務實質(zhì)上就是實現(xiàn)報文的轉發(fā)。STM32F105內(nèi)部集成了雙bxCAN控制器，它包括3個發(fā)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(fā)機制，其原理如圖3所示。依據(jù)圖3，當STM32F105接收到新的報文時，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊處理，在數(shù)據(jù)轉發(fā)進程的管理下，對兩路bxCAN控制器的接收FIFO緩沖區(qū)進行監(jiān)視，如某一路緩沖區(qū)非空則向另一路轉發(fā)。
STM32F105發(fā)送報文的流程為：應用程序選擇1個空置的發(fā)送郵箱；設置標識符、數(shù)據(jù)長度和待發(fā)送數(shù)據(jù)；然后對CAN_TIxR寄存器的TXRQ位置1，來請求發(fā)送。TXRQ位置1后，郵箱就不再是空郵箱；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(tài)，并等待成為最高優(yōu)先級的郵箱。一旦郵箱成為最高優(yōu)先級的郵箱，其狀態(tài)就變?yōu)轭A定發(fā)送狀態(tài)。當CAN總線進人空閑狀態(tài)，預定發(fā)送郵箱中的報文就馬上被發(fā)送。在郵箱中的報文被成功發(fā)送后，它馬上變?yōu)榭罩绵]箱；硬件相應地對CAN_TSR寄存器的RQCP和TXOK位置1，表明一次成功發(fā)送。
為了提高中繼器數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，CAN報文的接收采用中斷方式。所以在CAN初始化過程中應使能CAN1和CAN2外設中斷，并設置其相應的中斷向量表，設定其相應的中斷等級。數(shù)據(jù)接收模塊流程如圖4所示。
另外，假設CAN總線上A點發(fā)出的數(shù)據(jù)總時間為t，則在軟中繼器另一側B點接收到該數(shù)據(jù)的最短時間為t。當總線速率不大且對各總線設備時序要求不高時，該時間可以忽略。但在一些節(jié)點間交換數(shù)據(jù)頻繁的CAN總線系統(tǒng)，則須注意這個問題，盡量使其對系統(tǒng)的影響降至最低。
4 結論
該CAN總線中繼器充分利用內(nèi)部集成雙bxCAN控制器簡化了硬件電路的設計，及豐富的固件庫函數(shù)縮短了開發(fā)周期。實踐表明，該單線CA N總線隔離中繼器完成了各項設計指標，符合工程的要求，在液壓支架電液控制系統(tǒng)中能夠有效的完成數(shù)據(jù)的轉發(fā)和網(wǎng)絡的拓展，具有較高的實用價值。
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