基于can 总线广播系统分组中继器设计
刘凯，刘晓文，马丽娜
作者简介：刘凯，（1987-），男，硕士，主要研究方向：CAN 总线，语音信号处理
通信联系人：刘晓文，（1964-），女，教授，主要研究方向：无线传感器网络，现场总线.

（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）
5 摘要：为了拓展CAN 总线广播系统的通信距离和提高总线利用效率，提出一种基于STM32F103
的广播系统分组中继器的实现方法，利用该中继器在广播系统主CAN 网络上创建一个分组子
网，对主CAN 网络和子网络上的报文进行过滤，从而在通信占用网络资源上不出现共用网段
时实现并发通话，提高了总线的利用率。
关键词：CAN 总线；报文过滤；分组中继器
10 中图分类号：TN933.3
the design of Broadcasting system grouping Repeater based
on CAN
Liu Kai, Liu Xiaowen, Ma Lina
15 (School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining & Technology,
JiangSu XuZhou 221008)
Abstract: In order to extend communication distance of broadcasting system based on CAN bus
and improve bus efficiency, propose a implementation of broadcasting system grouping Repeater
based on STM32F103, Using the Repeaters create a group subnet in the Lord CAN network, and
20 filter messages between the Lord CAN network and subnet, Thus network resources that
Communication takes do not appear for common nets can realize concurrent calls, therefore
improve bus efficiency.
Keywords: CAN bus; filter messages; grouping repeater
25 0 引言
基于对CAN 总线广播系统的研究，发现要提供高音质的语音服务，需要较高的CAN
总线传输速率，从而降低了CAN 总线的通信距离[1]，要利用CAN 总线构建全矿井覆盖的广
播系统就必须使用CAN 中继延长通信距离。若使用透明转发的CAN 中继则使得整个广播
系统的所有分组子网从属于同一个CAN 网络，假设调度室与任一分组或分站进行通话，将
30 占用整个总线网络资源，使得其他非被叫分组只有等待总线空闲时才能发起通信请求，大大
降低了总线的利用率。因此必须设计一个中继器，不仅在只需要延长通信距离时能够完成报
文的透明转发，还能为子网提供报文过滤，使得不属于该子网的报文被滤除，只属于该子网
的报文（如组内通话）不被转发至主网影响其他类型的通话，从而使得在通信占用网络资源
上没有共用网段时实现并发通话，提高了总线的利用率。
35 1 中继器硬件设计
设计采用ST 公司生产的STM32f103 作为主控制器[2]，其工作时钟为72M 且集成了一
路CAN 控制器，价格上相对其他控制器有绝对的优势，这就为设计高性价比的CAN 分组
中继器提供了保障，由于只集成了一路CAN 控制器，因此设计采用MCP2515 作为外扩的
CAN 控制器，利用SPI 接口与MCP2515 进行数据交互。CAN 收发器使用TJA1040，并使
40 用6 位拨码开关，其中最高位表示工作模式选择位即0 表示透明转发、1 表示创建分组，后
 5 位表示创建分组的组号。其在广播系统中的使用场合如图1 所示（以创建两个分组为例）。
此时，调度室主站对1 号分组进行组播通话的同时2 号分组可以进行组内通话。分组中继器
结构框图如2 所示。
45 图1 分组中继器使用场景
Fig. 1 Usage scenarios of group repeater
MCP2515
图2 分组中继结构框图
50 Fig.2 Structure diagram of group repeater
2 软件实现
2.1 分组中继器过滤机制的定制
CAN 分组中继器要实现对广播系统报文的过滤，首先要知道CAN 报文的11 位标识符
55 所代表的含义，才能合理的定制CAN 控制器的过滤机制。广播系统报文标识符的分配[3]如
图3 所示。
图3 标示符分配
Fig. 3 Identifiers distribution
 60 其中井上广播主站和井下语音基站根据完成功能不同对报文标识符的定义有所不同，井
上广播主站对井下基站所要完成的功能有广播、组播和点播通信，通信内容有音乐和语音。
这里ID10 的含义为区分是音乐数据报文还是语音数据报文，ID9-0 根据基站过滤机制的不
同实现广播、组播和点播通信。语音基站要完成的功能有组内广播和与井上主站通信两种功
能。这里ID10 的含义即为区分是组内数据报文还是井上数据报文。
65 至此，可以得出分组中继接收并向子网转发的条件为：
1) 广播通信
2) 组号为本组的组播通信
3) 组号为本组的点播通信
分组中继接收并向主网转发的条件只有一个即与主站通信。
70 2.2 中继器软件设计
应用软件主要完成单片机硬件资源的基本配置、模式切换、两个CAN 控制器的初始化
和外设中断等工作。当中继器上电后，首先完成系统基本配置和中断初始化，获取模式选择
位电平，然后根据模式选择位电平的不同分别完成CAN 控制器的不同配置。系统的主程序
流程和中断服务子程序流程如图4 所示。
75
图4 系统程序流程图
Fig.4 System programming flowchart
2.2.1 系统初始化
80 STM32F103 上电时首先要为系统配置运行的基本硬件资源，包括对系统工作时钟、CAN
等外设工作时钟、GPIO 复用功能及中断优先级等进行配置。
2.2.2 CAN 控制器初始化
CAN 控制器必须对一些寄存器完成初始化配置才能正常通信，如波特率等设置。这里
 在波特率设置正确的前提下，最主要配置就是验收过滤寄存器和屏蔽寄存器的配置，根据中
85 继工作模式不同其配置也不同。若模式选择位电平为低时，表示中继工作在透明转发模式，
此时对两个CAN 控制器的标示符过滤屏蔽寄存器设置为全屏蔽即不进行过滤，全部接收。
否则为分组工作模式，此时一个CAN 控制器要配置为能过滤接收本组数据报文和广播数据
报文，另一个CAN 控制器配置为不接收组内通信报文。
2.2.3 CAN 收发程序设计
90 1) 报文发送。单片机将要转发数据写入CAN 发送缓冲区，并把发送请求位值1，当检
测总线空闲时，则按照CAN 总线协议发送数据。
2) 报文接收。首先对CAN 总线上的报文进行匹配过滤，符合过滤机制的报文将被接收
并触发中断，读出报文数据并释放接收缓冲区空间完成一次报文接收。
3 系统测试
95 为了验证分组中继器的工作性能，我们利用1 个主站、4 个基站、2 个分组中继器搭建
小型网络进行实验，测试网络如图5 所示。
1）主站广播通话
此时两个分组子网上的语音基站都能正确接收数据，还原声音音质很好。
2）主站对1 组组播通话
100 1 组所有语音基站能正常还原声音，此时让2 组发起组内通信，两路通信正常，互不干
扰。
图5 网络测试拓扑图
105 Fig.5 Network test topology
4 结论
根据广播系统通信协议基础上定制过滤机制的分组中继器具有在不改变通信波特率的
同时减少了总线的平均负载率；提高了总线的利用效率；并在通信占用网络资源上没有共用
110 网段时实现并发通话等优势，非常适合应用与基于CAN 总线的广播系统中。
 [参考文献] (References)
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