RS232通信網絡與CAN總線通信網絡互聯(lián)設計

目前工業(yè)設備之間的通信很多采用RS232接口，但由于RS232通信距離短(根據(jù)EAT/TAI-232標準,僅為15 m)、接口易損，而且只能進行點到點通信,不能直接組成多點通信網絡。為了延長RS232的通信距離，并將RS232節(jié)點組成通信網絡,目前廣泛使用RS232/RS485信號轉換器。但是，由于RS485通信本身的局限性，在實際應用中存在許多不足：總線效率低、系統(tǒng)的實時性差、通信的可靠性低、網絡工程調試復雜、傳輸距離不理想、單總線可掛接的節(jié)點少、應用不靈活等。

基于CAN通信的優(yōu)越性，本文介紹一種可以將RS232通信網絡轉換成CAN通信網絡的方法，以更好地解決用戶建立遠程通信網絡的問題。

1 CAN總線簡介

1.1 CAN總線概述

控制器局域網絡CAN(Controller Area Network)，屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡, 最初由德國Bosch公司于20 世紀80 年代用于汽車內部測試和控制儀器之間的數(shù)據(jù)通信[1]。其總線規(guī)范已被ISO國際標準組織定為國際標準，CAN 協(xié)議經ISO 標準化后有ISO11898 標準和ISO11519標準兩種，這兩種標準對于數(shù)據(jù)鏈路層定義是相同的,但物理層不同。ISO11898是通信速度為125 kb/s-1 Mb/s的CAN高速通信標準; ISO11519是通信速度為125 kb/s以下的CAN低速通信標準。CAN協(xié)議建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型基礎上,但其模型結構只有三層:ISO底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層；其信號傳輸介質可采用雙絞線、同軸電纜和光纖等；通信最大距離可達10 km；最大通信波特率可達1 Mb/s，可掛設備最多達110個。CAN總線具有的特點，越來越廣泛地被應用于各種工業(yè)現(xiàn)場,并被公認為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。

1.2 CAN總線工作機制

1.2.1 CAN的報文類型

CAN系統(tǒng)中節(jié)點之間以報文的形式進行通信，其報文有五種類型：數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀和幀空間[2]。每種幀都有相應固定的格式，其中數(shù)據(jù)幀和遠程幀與應用密切相關,其他類型幀由CAN控制器根據(jù)具體的情況自動傳輸。幀種類及用途如表1所示。

1.2.2 CAN節(jié)點的仲裁機制

只要總線空閑，任何單元都可以開始發(fā)送報文（多主控制）。最先訪問總線的節(jié)點可獲得總線控制權。若多個節(jié)點同時開始傳送報文，就會有總線訪問沖突，可使用識別符的位形式仲裁解決這個沖突。仲裁期間，每一個發(fā)送器都對發(fā)送位的電平與被監(jiān)控的總線電平進行比較。如果電平相同，則這個節(jié)點繼續(xù)發(fā)送。若發(fā)送的是隱性電平而監(jiān)控到的是顯性電平，則這個節(jié)點失去了仲裁，必須退出發(fā)送狀態(tài)。ID越小優(yōu)先權越高，發(fā)送高優(yōu)先級 ID 消息的節(jié)點可獲得發(fā)送權。

1.2.3 CAN節(jié)點的報文濾波機制

CAN 控制器監(jiān)聽接收總線上的所有報文，只有通過CAN控制器的報文篩選器篩選的報文才能進入CAN 的報文接收緩沖區(qū)，為該節(jié)點所接收并傳送給應用程序。

1.2.4 CAN節(jié)點狀態(tài)

CAN總線上每個節(jié)點都處于“錯誤主動”、“錯誤被動”和“總線關閉”三種狀態(tài)之一。區(qū)分這幾種狀態(tài)的主要依據(jù)是發(fā)送錯誤計數(shù)器和接收錯誤計數(shù)器的值，并且這三種狀態(tài)可以在一定條件下相互轉化。處于錯誤主動狀態(tài)的節(jié)點，當發(fā)現(xiàn)總線上有錯誤傳輸時，將向總線上發(fā)“主動出錯幀”；處于錯誤被動狀態(tài)的節(jié)點，當發(fā)現(xiàn)總線上有錯誤傳輸時，將向總線上發(fā)“被動出錯幀”；當節(jié)點進入總線脫離狀態(tài)時，將完全退出總線操作。

2 硬件電路設計

2.1 硬件設計原理

RS232串口通信與CAN通信是兩種不同的傳輸方式，無論是數(shù)據(jù)的傳輸方式還是邏輯電平的電壓表示都是不同的，本設計主要完成RS232接口與CAN總線協(xié)議之間的轉換，以及數(shù)據(jù)的雙向傳輸。設計原理如圖1所示。RS232接口端信號經過RS232電平轉換成TTL電平，直接輸入到微控制器的通用同步/異步串行接口(USART)，微控制器控制CAN控制器讀出有效的數(shù)據(jù)經光電隔離的CAN收發(fā)器發(fā)送到CAN總線上。

本設計采用的RS232電平轉換器為MAX232，微控制器為ATmega128，CAN總線控制器采用SJA1000，CAN總線收發(fā)器采用高速的具有收發(fā)和隔離功能的CTM1050控制器。ATmega128是整個模塊的控制中心，控制著RS232接口和CAN總線的通信。器件連接示意圖如圖2所示。

RS232接口的發(fā)送數(shù)據(jù)端和接收數(shù)據(jù)端經MAX232電平轉換分別與Atmega128串口、接收數(shù)據(jù)端PE0/RXD0、發(fā)送數(shù)據(jù)端PE1/TXD0相連；SJA1000的AD0~AD7連接到Atmega128的PA口，INT與Atmega128的INT0相連，ALE與Atmega128的PG2/ALE相連，讀寫端RD、WR分別連接Atmega128的PG1/RD、PG0/WR，CS連接到Atmega128的PC6，Atmega128的時鐘取自SJA1000的振蕩器，即SJA1000的CLKOUT連接到Atmega128的XTAL1；收發(fā)器CTM1050的RX0、TX0分別連接SJA1000T的RX0、TX0, CANH、CANL連接到CAN總線上。

2.2 主要芯片

RS232用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接,必須在RS232接口與TTL電路之間進行電平和邏輯關系的變換。MAX232芯片可完成TTL?RS232電平的雙向轉換。

ATmega128單片機是基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器,為AVR單片機系列中的高性能單片機。ATmega128單片機內部帶有128 KB的系統(tǒng)內可編程Flash程序存儲器，具有同時讀寫能力；4 KB的E2PROM；4 KB的SRAM；53個通用I/O端口線；32個通用工作寄存器；4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器/計數(shù)器(T/C)；2個USART；串行外圍設備接口(SPI)；與IEEE1149．1規(guī)范兼容的JTAG測試接口，可以用于片上調試；6種省電模式；53個可編程I/O端13線；由于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz等。

SJA1000是一種獨立的CAN控制器，主要用于移動目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網絡控制，具有新的PeliCAN操作模式，這種模式兼容CAN2.0A 和CAN2.0B 兩種技術規(guī)范[3]。SJA1000可完成CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能,由CAN核心模塊、發(fā)送緩沖區(qū)、接收FIFO、驗收濾波器和接口管理邏輯組成[4]。

CTM1050是一款帶隔離的高速CAN收發(fā)器芯片，該芯片內部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件,其主要功能是將CAN 控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平并且具有直流2 500 V的隔離功能及ESD 保護作用。該芯片符合ISO 11898標準，可與其他遵從ISO 11898標準的CAN 收發(fā)器互連。

3 軟件設計

本設計程序主要包括：串口初始化程序、SJA1000初始化程序、單片機接收串口中斷服務子程序、單片機發(fā)送數(shù)據(jù)到串口中斷服務子程序、單片機接收CAN數(shù)據(jù)子程序、單片機發(fā)送CAN數(shù)據(jù)程序以及一些異常錯誤處理子程序等等。程序流程圖如圖3所示。

本設計可以將RS232通信網絡轉換成CAN通信網絡，能夠很方便地實現(xiàn)RS232多點組網、遠程通信，且不需要更改原有RS232通信軟件，用戶可直接嵌入原有的應用領域，使系統(tǒng)設計達到更先進的水平。