基于PIC單片機的RS-232轉CAN通信適配卡設計

　　CAN總線-控制器局部網(wǎng)(CAN)國際標準(ISO11898)。CAN總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。

　　其特點可概括如下：CAN為多主方式工作。在報文標識符上，各節(jié)點分成不同的優(yōu)先級。采用非破壞總線仲裁技術。只需通過對報文的標識符濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點方式傳送接收數(shù)據(jù)。直接通信距離最遠可達零10km(速率5kbps以下)；通信速率最高可達到1Mbps(此時通訊距離最長為40m)。CAN上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅動電路，目前可達110個。報文采用短幀結構，傳輸時間短，受到干擾的概率低。每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，具有極好的檢錯效果。通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，使得其他節(jié)點的操作不受影響。它具有較高的性能價格比。CAN協(xié)議是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)模式基礎上的，由于CAN的數(shù)據(jù)結構簡單，又是范圍較小的局域網(wǎng)，因此不需要其他中間層，應用層數(shù)據(jù)直接取自數(shù)據(jù)鏈路層或直接向鏈路層寫數(shù)據(jù)。結構層次少，有利于系統(tǒng)中實時控制信號的傳送。

　　本實驗通信網(wǎng)絡通過CAN總線傳輸數(shù)據(jù)，設計的CAN-RS-232通信適配卡，可掛接在通信網(wǎng)絡的任一節(jié)點位置，對于通過RS-232總線連入CAN網(wǎng)絡的PC，可用WINDOWS自帶的超級終端或者我們用VC編寫的串口操作程序來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)點對點，及一點對多點的通信，實現(xiàn)CAN協(xié)議里的數(shù)據(jù)幀和遠程請求幀的傳送所謂遠程請求幀就是接收端通過發(fā)送遠程幀啟動其資源節(jié)點傳送它們各自的數(shù)據(jù)，板卡還可實現(xiàn)10位精度的A/D轉換并將得到的數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳給上位機CAN總線系統(tǒng)結構如圖1所示：

　　1系統(tǒng)硬件設計

　　板卡電路主要由四部分組成：PIC16F877A單片機、獨立CAN通信控制器SJA1000T、CAN總線驅動器TJA1050和RS-232總線驅動器MAX232。主要實現(xiàn)基于CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸，同時通過RS-232把Pc作為終端接人CAN總線以及采集模擬信號并通過CAN總線上傳給上位機。SJA1000T是集成的獨立CAN控制器(與PHILIPS早期的CAN控制器PCA82C200完全兼容)，它負責完成CAN總線通信協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。對于微處理器來說，它相當于一個存儲器I/O 映象設備。由于CAN控制器和微控制器內部都有自己的時鐘產生電路，為了讓兩者之間協(xié)調，外加了10M 晶振在微控制器上作為整個系統(tǒng)的時鐘，并將微控制器的時鐘輸出作為CAN控制器的時鐘輸入；SJA1000T的中斷輸出信號/INT接到單片機的INT中斷，但也可通過查詢方式實現(xiàn)單片機與CAN控制器的通信；為了使CAN控制器和微控制器能同時可靠的復位，外加了手動復位電路。

　　PIC16F877A單片機是目前使用非常廣泛的中端單片機，在本系統(tǒng)中，它主要是用于控制CAN控制器SJA1000T，對SJA1000T進行初始化和讀/寫操作以及將從CAN總線或從RS-232總線傳來的數(shù)據(jù)進行打包處 后再轉傳到RS-232總線或CAN總線上，即對兩個總線上的數(shù)據(jù)流按照協(xié)議進行處理和傳送。下位機的單片機主要是采集模擬信號并實現(xiàn)A/D轉換，并通過CAN總線上傳給上位機。

　　1.1 CAN通信模塊

　　SJA1000T的AD0～AD7是地址、數(shù)據(jù)復合總線，與PIC16F877A的PORTD端口相連，即單片機通過SJA1000T的這個并口來傳遞數(shù)據(jù)和地址；需要注意的是51系列的單片機有專門的讀、寫和地址鎖存的引腳，而PIC16F877A并沒有，所以我們只能用其他端口來模擬控制，在本系統(tǒng)中SJA1000T的ALE、CS、RD 、WR分別與單片機的RC0-RC3引腳相連，即　　用RC0-RC3來控制SJA1000T的地址鎖存、片選和讀/寫操作。

　　TJA1050是CAN 協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，主要應用在波特率范圍從60kbps到1Mbps。TJA1050可以為總線提供差動的發(fā)送功能，為CAN控制器提供差動的接收功能，而且完全符合ISO11898標準。CAN控制器SJA1000T通過一條串行數(shù)據(jù)輸出線TxD 和一條串行數(shù)據(jù)輸人線RxD 連接到CAN總線驅動器TJA1050，而TJA1050則通過兩個有差動接收和發(fā)送能力的總線終端連接到CAN總線?？偩€終端為120歐的電阻，其作用為匹配總線阻抗，提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性。CAN通信模塊的原理圖見圖2。

　　1.2 RS-232模塊

　　RS-232標準是美國EIA電子工業(yè)聯(lián)合會制定的一種串行物理接口標準，廣泛用于汁算機與終端或外設之間的近端連接 完整的RS-232接口有25根線，一般在計算機串口采用簡化的9芯插頭座：工作時，應保證電平在±(5-15)V之問。因此為了能夠同計算機或控制器的TTL器件連接，必須在RS-232與TTL電路之問進行電平和邏輯關系的變換。常用的轉換芯片是MAX232。MAX232內部有電壓倍增電路和轉換電路，只需5V電源便可實現(xiàn)TTL電平與RS-232電平轉換。RS-232模塊的原理圖見圖3。

　　1.3 A/D轉換模塊

　　PIC16F877A單片機自帶有8路模擬通道，轉換精度為10位。本適配卡選擇RA0為模擬通道。板卡將A/D轉換后的數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳給上位機。

　　1.4 數(shù)據(jù)流

　　CAN-RS-232的數(shù)據(jù)流圖見圖4。

　　2 系統(tǒng)軟件設計

　　軟件設計分為兩大塊：板卡底層軟件設計和PC機上串口操作軟件設計。板卡底層軟件設計主要是對PIC16F877A編程，用于把從PC機通過串口輸人給單片機的數(shù)據(jù)按照CAN協(xié)議幀結構進行打包處理，并操作CAN控制器把數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線；把從CAN總線上輸入的數(shù)據(jù)轉換成串行數(shù)據(jù)輸出給PC機：PC機上串口操作軟件設計主要是對串口的操作和通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)。

　　2.1單片機編程

　　開發(fā)工具使用的是MPLAB集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，它是綜合的編輯器、項目管理器和設計平臺，適用于使用Microchip的PICmicro系列單片機進行嵌入式設計的應用開發(fā)；編程語言用的是C語言，將HITECH 公司的PICC編譯器直接掛接在MPLAB-IDE集成開發(fā)平臺下，實現(xiàn)一體化的編譯連接和原代碼調試。

　　CAN控制器SJA1000T片內有模式寄存器MOD、命令寄存器CMR、狀態(tài)寄存器SR、中斷寄存器IR、中斷使能寄存器IER、接收緩沖器RXB、發(fā)送緩沖器TXB、仲裁丟失捕捉寄存器ALC、錯誤代碼捕捉寄存器ECC、錯誤報警限額寄存器EWLR、錯誤計數(shù)寄存器ERR、驗收代碼寄存器ACR、驗收屏蔽寄存器AMR、總線時序寄存器BTR、輸出控制寄存器OCR和時鐘分頻寄存器CDR等，單片機就是通過讀寫這些寄存器來實現(xiàn)對SJA1000T的控制，從而實現(xiàn)CAN報文的接收和發(fā)送。文后給出CAN控制器SJA1000T初始化和接收子程序的流程圖。下面給出CAN初始化程序，其中WRCAN是自定義的一段對SJAIO00T寫數(shù)據(jù)的子程序。

　　2.2 串口操作程序設計

　　在各種開發(fā)工具中間，VC由于功能強大和靈活，所以本實驗系統(tǒng)使用VC作為開發(fā)工具。串口通訊目前流行的方法主要有3種：一是利用Microsoft提供的CMSCOMM控件進行通訊，通過插入ActiveX控件的方式實現(xiàn)；二是利用WIN API函數(shù)進行編程，這種編程的難度較高，要掌握較多的API函數(shù)；三是利用現(xiàn)在網(wǎng)絡上面提供的一些串口通訊控件進行編寫，比如CSerial類等。本程序采用WINAPI函數(shù)進行串口的開發(fā)，程序在PC機上用來收發(fā)串口數(shù)據(jù)運行正確穩(wěn)定。

　　3 結束語

　　本系統(tǒng)在PC機上使用串口通信程序收發(fā)RS-232總線上的數(shù)據(jù)，并通過PIC單片機和CAN通信模塊連人CAN網(wǎng)絡。板卡可進行雙向通信：一方面可以把從CAN總線接收的數(shù)據(jù)流轉換成標準的RS-232格式的數(shù)據(jù)流上傳給PC機；另一方面可以把接收的RS-232格式的數(shù)據(jù)流轉換成符合CAN協(xié)議的報文結構傳送到CAN總線上。充分利用了CAN總線組網(wǎng)的優(yōu)勢，構成的總線型通訊網(wǎng)絡具有通訊波特率高、通訊距離長、節(jié)點容量大、可靠性高等特點。利用VC編程的串口通信程序接收顯示和發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了多主機基于CAN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通訊。