1．概述

CAN（Controller Area Network）總線是德國BOSCH公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多控制與測試之間的數(shù)據(jù)交換開發(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總線是一種開放式、數(shù)字化、多點通信的控制系統(tǒng)局域網(wǎng)，具有通信速率高、傳輸時間短、傳輸距離遠、糾錯能力強、控制簡單、擴展能力強以及性價比高等特點，是目前國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。

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計CAN總線系統(tǒng)的首要工作。實際中很多設備帶有RS-232接口，為了方便具有RS-232接口的設備與CAN總線的數(shù)據(jù)通信，本文完成了基于單片機控制的CAN總線與RS-232轉換器電路設計和軟件設計，實現(xiàn)了CAN總線數(shù)據(jù)與RS-232接口設備的數(shù)據(jù)傳輸。

2．基于單片機控制的CAN總線與RS-232轉換器電路設計

CAN總線與RS-232轉換器電路包括：主控制模塊、RS-232接口轉換電路和CAN控制模塊3個主要部分。

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，本設計應用AT89C51完成對轉換器各個接口的控制，實現(xiàn)CAN總線和RS-232接口兩種協(xié)議數(shù)據(jù)幀的轉換，使用帶有SPI總線接口的X25045實現(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芯片構成，實現(xiàn)將單片機串口的TTL電平與RS-232電平的相互轉換，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)議的實現(xiàn)。其中物理接口采用PCA82C250芯片實現(xiàn)物理層的電平轉換和傳輸。CAN控制器使用SJA1000芯片，完成數(shù)據(jù)鏈路層功能，實現(xiàn)CAN總線信息的輸入輸出傳輸。

AT89C51是CAN總線與RS-232轉換器的控制器，提供以下標準功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，1000次可擦寫周期，三級加密程序存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM、定時/計數(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硬件復位。

AT89C51使用的晶振信號由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，因此本設計中增加了片外RAM芯片6116，用作轉換雙方的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。設計中使用P2.7接反向器連接6116的片選端，所以接口轉換電路中的片外RAM的起始地址實際上應為0X8000。

圖1 主控制模塊電路原理圖

2.1 AT89C51與RS-232轉換接口電路設計

應用MAX232芯片構成RS-232的接口轉換電路，實現(xiàn)AT89C51串口的TTL電平與RS-232電平的相互轉換。其中R1out和T1in引腳接單片機的RXD引腳和TXD引腳，R1in和T1out作為RS-232接口輸出連接標準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1μF的電容用于芯片升壓，以完成電平轉換。

2.2 SJA1000與AT89C51接口電路設計

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端與單片機的P2.7引腳直接相連，因此SJA1000的尋址空間從地址0開始。AD0~AD7直接與AT89C51的低8位數(shù)據(jù)/地址復用口P0口相連，MODE接高電平設置為Intel模式，中斷輸出信號/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電阻為限流保護電阻，為避免當驅(qū)動器失效時出現(xiàn)過流導致控制器損壞。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計

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保護二極管，當CAN總線有較高的負電壓時，通過二極管的短路可起到一定的過壓保護作用。PCA82C250的Rs腳上接有一個斜率電阻，電阻大小可根據(jù)總線通訊速度適當調(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．基于單片機控制的CAN總線與RS-232轉換器軟件設計

主程序分為初始化和循環(huán)檢測兩個主要部分。初始化部分完成對看門狗電路及RS-232 串口和CAN總線的初始化并開啟INT0中斷和串口中斷。循環(huán)檢測部分通過調(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())轉發(fā)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都是通過中斷來進行的。每次循環(huán)檢測結束通過調(diào)用rst_wdog函數(shù)使看門狗復位。此外，由于CAN總線的速率與RS-232接口的速率并不相同，因此還需設置片外的存儲器(RAM)，用于轉換雙方的數(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)送程序設計

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)一使用相同長度的通用幀來保存數(shù)據(jù)。RS-232協(xié)議模塊將通用的幀使用SLIP協(xié)議進行封裝后發(fā)送，并將接收到的SLIP幀轉為通用幀格式轉入緩沖區(qū)。系統(tǒng)啟動后，主程序調(diào)用RS232_Receive函數(shù)檢測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)后會交由RS232_Send()函數(shù)發(fā)送，并將幀數(shù)據(jù)保存至臨時發(fā)送緩沖區(qū)bufRS_S。程序通過ChkEndR()函數(shù)檢測數(shù)據(jù)幀是否發(fā)送完畢。

圖4 CAN總線與RS-232轉換器主程序流程圖

3．2 CAN控制器SJA1000初始化程序設計

CAN控制器SJA1000完成CAN總線幀的發(fā)送和接收任務。程序中，使用INITCAN()函數(shù)完成對CAN接口芯片的初始化。初始化程序設計對轉換器的正常工作相當重要。它主要完成模式設置、時鐘輸出寄存器設置、接受碼寄存器ACR設置、接收屏蔽碼寄存器AMR設置、總線定時器設置和輸出控制寄存器設置。

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

主程序啟動后調(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，填入CAN總線格式幀的各個位置，再通過命令寄存器傳遞發(fā)送請求。此外，主程序通過ChkEndC()函數(shù)檢測數(shù)據(jù)幀是否發(fā)送完畢。

4. 結論

本設計完成了CAN總線與RS-232轉換器的電路與軟件設計。本設計的創(chuàng)新點是：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，本設計最大優(yōu)點是解決了這兩點不同，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在CAN總線與RS-232接口之間的傳輸。在設計中由于使用了CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸這就使得通信方式多主性。網(wǎng)絡上任意節(jié)點可以任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(fā)送信息而不分主從?？梢渣c對點，點對多點或全局廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

圖4 CAN總線與RS-232轉換器主程序流程圖