基于單片機(jī)的CAN與RS-232轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

1．概述

CAN（Controller Area Network）總線是德國(guó)BOSCH公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多控制與測(cè)試之間的數(shù)據(jù)交換開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，是一種多主方式的串行通信總線。CAN總線是一種開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的控制系統(tǒng)局域網(wǎng)，具有通信速率高、傳輸時(shí)間短、傳輸距離遠(yuǎn)、糾錯(cuò)能力強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單、擴(kuò)展能力強(qiáng)以及性價(jià)比高等特點(diǎn)，是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

基于CAN總線的CAN控制器具有完成CAN總線通信協(xié)議所要求的全部必要功能，因此CAN控制器與其它微處理器的接口成為設(shè)計(jì)CAN總線系統(tǒng)的首要工作。實(shí)際中很多設(shè)備帶有RS-232接口，為了方便具有RS-232接口的設(shè)備與CAN總線的數(shù)據(jù)通信，本文完成了基于單片機(jī)控制的CAN總線與RS-232轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了CAN總線數(shù)據(jù)與RS-232接口設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。

2．基于單片機(jī)控制的CAN總線與RS-232轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)

CAN總線與RS-232轉(zhuǎn)換器電路包括：主控制模塊、RS-232接口轉(zhuǎn)換電路和CAN控制模塊3個(gè)主要部分。

主控制模塊的功能是處理CAN總線以及RS-232接口的數(shù)據(jù)通信和控制，本設(shè)計(jì)應(yīng)用AT89C51完成對(duì)轉(zhuǎn)換器各個(gè)接口的控制，實(shí)現(xiàn)CAN總線和RS-232接口兩種協(xié)議數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)換，使用帶有SPI總線接口的X25045實(shí)現(xiàn)硬件看門狗功能。主控模塊電路如圖1所示。

RS-232接口電路由MAX232芯片構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)將單片機(jī)串口的TTL電平與RS-232電平的相互轉(zhuǎn)換，完成RS-232接口信息的輸入輸出傳輸。

CAN控制器模塊，主要完成CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。其中物理接口采用PCA82C250芯片實(shí)現(xiàn)物理層的電平轉(zhuǎn)換和傳輸。CAN控制器使用SJA1000芯片，完成數(shù)據(jù)鏈路層功能，實(shí)現(xiàn)CAN總線信息的輸入輸出傳輸。

AT89C51是CAN總線與RS-232轉(zhuǎn)換器的控制器，提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，1000次可擦寫周期，三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、竄行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。

AT89C51使用的晶振信號(hào)由SJA1000提供（SJA1000用24MHz的片外晶振），SJA1000的CLKOUT引腳接入MCU的XTAL1引腳。

由于CAN總線速率與RS-232接口速率并不相同，因此本設(shè)計(jì)中增加了片外RAM芯片6116，用作轉(zhuǎn)換雙方的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。設(shè)計(jì)中使用P2.7接反向器連接6116的片選端，所以接口轉(zhuǎn)換電路中的片外RAM的起始地址實(shí)際上應(yīng)為0X8000。

圖1 主控制模塊電路原理圖

2.1 AT89C51與RS-232轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計(jì)

應(yīng)用MAX232芯片構(gòu)成RS-232的接口轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)AT89C51串口的TTL電平與RS-232電平的相互轉(zhuǎn)換。其中R1out和T1in引腳接單片機(jī)的RXD引腳和TXD引腳，R1in和T1out作為RS-232接口輸出連接標(biāo)準(zhǔn)DB9接口的引腳2和引腳3。DB9接口引腳5接地。為了使MAX232芯片正常工作，還需要外接4個(gè)1μF的電容用于芯片升壓，以完成電平轉(zhuǎn)換。

2.2 SJA1000與AT89C51接口電路設(shè)計(jì)

圖2 SJA1000與AT89C51接口電路原理圖

CAN控制器SJA1000芯片采用片外24MHz晶振，其CLKOUT引腳輸出工作頻率接入微處理器的XTAL1引腳。片選/CS端與單片機(jī)的P2.7引腳直接相連，因此SJA1000的尋址空間從地址0開(kāi)始。AD0~AD7直接與AT89C51的低8位數(shù)據(jù)/地址復(fù)用口P0口相連，MODE接高電平設(shè)置為Intel模式，中斷輸出信號(hào)/INT與微處理器的/INT0連接，使CAN通信可以采用中斷和查詢兩種方式。TLP113的外接390Ω電阻為限流保護(hù)電阻，為避免當(dāng)驅(qū)動(dòng)器失效時(shí)出現(xiàn)過(guò)流導(dǎo)致控制器損壞。SJA1000與AT89C51接口電路如圖2所示。

2.3 CAN總線物理層接口電路設(shè)計(jì)

PCA82C250與CAN總線的接口部分采用一定的安全和抗干擾措施。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30P的小電容，可以起到濾除總線的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。另外在兩根CAN總線接入端與地之間分別反接一個(gè)保護(hù)二極管，當(dāng)CAN總線有較高的負(fù)電壓時(shí)，通過(guò)二極管的短路可起到一定的過(guò)壓保護(hù)作用。PCA82C250的Rs腳上接有一個(gè)斜率電阻，電阻大小可根據(jù)總線通訊速度適當(dāng)調(diào)整，一般在16K～140K之間。用光電隔離芯片TLP113將CAN控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250隔離，以便有效地增加通訊距離和抗干擾能力。CAN總線物理層接口電路如圖3所示。

3．基于單片機(jī)控制的CAN總線與RS-232轉(zhuǎn)換器軟件設(shè)計(jì)

主程序分為初始化和循環(huán)檢測(cè)兩個(gè)主要部分。初始化部分完成對(duì)看門狗電路及RS-232 串口和CAN總線的初始化并開(kāi)啟INT0中斷和串口中斷。循環(huán)檢測(cè)部分通過(guò)調(diào)用CAN總線接收函數(shù)(CAN_Receive())和RS-232接收函數(shù)(RS232_Receive())檢測(cè)緩沖區(qū)內(nèi)是否收到到數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)接收則調(diào)用RS-232發(fā)送函數(shù)(RS232_Send())和CAN總線發(fā)送函數(shù)(CAN_Send())轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都是通過(guò)中斷來(lái)進(jìn)行的。每次循環(huán)檢測(cè)結(jié)束通過(guò)調(diào)用rst_wdog函數(shù)使看門狗復(fù)位。此外，由于CAN總線的速率與RS-232接口的速率并不相同，因此還需設(shè)置片外的存儲(chǔ)器(RAM)，用于轉(zhuǎn)換雙方的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。主程序流程圖如圖4所示。

3．1 基于RS-232協(xié)議的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送程序設(shè)計(jì)

由于RS-232接口發(fā)送數(shù)據(jù)是以字節(jié)為單位，而CAN總線接收數(shù)據(jù)以多字節(jié)組成的數(shù)據(jù)幀為單位，因此為了避免指針指向的混亂，程序中統(tǒng)一使用相同長(zhǎng)度的通用幀來(lái)保存數(shù)據(jù)。RS-232協(xié)議模塊將通用的幀使用SLIP協(xié)議進(jìn)行封裝后發(fā)送，并將接收到的SLIP幀轉(zhuǎn)為通用幀格式轉(zhuǎn)入緩沖區(qū)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，主程序調(diào)用RS232_Receive函數(shù)檢測(cè)CAN接收緩沖區(qū)的內(nèi)容，如果緩沖區(qū)內(nèi)有數(shù)據(jù)，則調(diào)用RS_Read()函數(shù)讀取緩沖區(qū)中的一幀數(shù)據(jù)并將其送入RS232_Receive()函數(shù)參數(shù)buf指向的緩沖區(qū)后返回。在讀取CAN接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)后會(huì)交由RS232_Send()函數(shù)發(fā)送，并將幀數(shù)據(jù)保存至臨時(shí)發(fā)送緩沖區(qū)bufRS_S。程序通過(guò)ChkEndR()函數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)幀是否發(fā)送完畢。

圖4 CAN總線與RS-232轉(zhuǎn)換器主程序流程圖

3．2 CAN控制器SJA1000初始化程序設(shè)計(jì)

CAN控制器SJA1000完成CAN總線幀的發(fā)送和接收任務(wù)。程序中，使用INITCAN()函數(shù)完成對(duì)CAN接口芯片的初始化。初始化程序設(shè)計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)換器的正常工作相當(dāng)重要。它主要完成模式設(shè)置、時(shí)鐘輸出寄存器設(shè)置、接受碼寄存器ACR設(shè)置、接收屏蔽碼寄存器AMR設(shè)置、總線定時(shí)器設(shè)置和輸出控制寄存器設(shè)置。

3．3 基于CAN總線協(xié)議的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送程序設(shè)計(jì)

主程序啟動(dòng)后調(diào)用CAN_Recive()函數(shù)檢查CAN接收緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)存在，如果檢查到數(shù)據(jù)，則程序從緩沖區(qū)中讀取一幀數(shù)據(jù)并將其送入?yún)?shù)buf指定的緩沖區(qū)中。主程序如果發(fā)現(xiàn)RS-232接收緩沖區(qū)內(nèi)有數(shù)據(jù)，則讀取該數(shù)據(jù)幀并將其交由CAN_Send()函數(shù)發(fā)送至CAN總線。這里CAN_Send()函數(shù)接收到的數(shù)據(jù)幀格式為通用幀格式，需要先將其中的DesDevID SouDevID Length 等信息從通用幀中提取出來(lái)，填入CAN總線格式幀的各個(gè)位置，再通過(guò)命令寄存器傳遞發(fā)送請(qǐng)求。此外，主程序通過(guò)ChkEndC()函數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)幀是否發(fā)送完畢。

4. 結(jié)論

本設(shè)計(jì)完成了CAN總線與RS-232轉(zhuǎn)換器的電路與軟件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)是：由于CAN總線與RS-232接口數(shù)據(jù)通信速率以及通信幀格式都不同，本設(shè)計(jì)最大優(yōu)點(diǎn)是解決了這兩點(diǎn)不同，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在CAN總線與RS-232接口之間的傳輸。在設(shè)計(jì)中由于使用了CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸這就使得通信方式多主性。網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)可以任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主從?？梢渣c(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或全局廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

圖4 CAN總線與RS-232轉(zhuǎn)換器主程序流程圖