RS232通信網(wǎng)絡(luò)與CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)計(jì)

目前工業(yè)設(shè)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(biāo)準(zhǔn),僅為15 m)、接口易損，而且只能進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)通信,不能直接組成多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)。為了延長(zhǎng)RS232的通信距離，并將RS232節(jié)點(diǎn)組成通信網(wǎng)絡(luò),目前廣泛使用RS232/RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換器。但是，由于RS485通信本身的局限性，在實(shí)際應(yīng)用中存在許多不足：總線效率低、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性差、通信的可靠性低、網(wǎng)絡(luò)工程調(diào)試復(fù)雜、傳輸距離不理想、單總線可掛接的節(jié)點(diǎn)少、應(yīng)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(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成CAN通信網(wǎng)絡(luò)的方法，以更好地解決用戶建立遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題。

1 CAN總線簡(jiǎn)介

1.1 CAN總線概述

控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN(Controller Area Network)，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò), 最初由德國(guó)Bosch公司于20 世紀(jì)80 年代用于汽車(chē)內(nèi)部測(cè)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，CAN 協(xié)議經(jīng)ISO 標(biāo)準(zhǔn)化后有ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)和ISO11519標(biāo)準(zhǔn)兩種，這兩種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(biāo)準(zhǔn); ISO11519是通信速度為125 kb/s以下的CAN低速通信標(biāo)準(zhǔn)。CAN協(xié)議建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型基礎(chǔ)上,但其模型結(jié)構(gòu)只有三層:ISO底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層；其信號(hào)傳輸介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜和光纖等；通信最大距離可達(dá)10 km；最大通信波特率可達(dá)1 Mb/s，可掛設(shè)備最多達(dá)110個(gè)。CAN總線具有的特點(diǎn)，越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),并被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

1.2 CAN總線工作機(jī)制

1.2.1 CAN的報(bào)文類(lèi)型

CAN系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)之間以報(bào)文的形式進(jìn)行通信，其報(bào)文有五種類(lèi)型：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過(guò)載幀和幀空間[2]。每種幀都有相應(yīng)固定的格式，其中數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀與應(yīng)用密切相關(guān),其他類(lèi)型幀由CAN控制器根據(jù)具體的情況自動(dòng)傳輸。幀種類(lèi)及用途如表1所示。

1.2.2 CAN節(jié)點(diǎn)的仲裁機(jī)制

只要總線空閑，任何單元都可以開(kāi)始發(fā)送報(bào)文（多主控制）。最先訪問(wèn)總線的節(jié)點(diǎn)可獲得總線控制權(quán)。若多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始傳送報(bào)文，就會(huì)有總線訪問(wèn)沖突，可使用識(shí)別符的位形式仲裁解決這個(gè)沖突。仲裁期間，每一個(gè)發(fā)送器都對(duì)發(fā)送位的電平與被監(jiān)控的總線電平進(jìn)行比較。如果電平相同，則這個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)失去了仲裁，必須退出發(fā)送狀態(tài)。ID越小優(yōu)先權(quán)越高，發(fā)送高優(yōu)先級(jí) ID 消息的節(jié)點(diǎn)可獲得發(fā)送權(quán)。

1.2.3 CAN節(jié)點(diǎn)的報(bào)文濾波機(jī)制

CAN 控制器監(jiān)聽(tīng)接收總線上的所有報(bào)文，只有通過(guò)CAN控制器的報(bào)文篩選器篩選的報(bào)文才能進(jìn)入CAN 的報(bào)文接收緩沖區(qū)，為該節(jié)點(diǎn)所接收并傳送給應(yīng)用程序。

1.2.4 CAN節(jié)點(diǎn)狀態(tài)

CAN總線上每個(gè)節(jié)點(diǎn)都處于“錯(cuò)誤主動(dòng)”、“錯(cuò)誤被動(dòng)”和“總線關(guān)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(cuò)誤計(jì)數(shù)器和接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的值，并且這三種狀態(tài)可以在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。處于錯(cuò)誤主動(dòng)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)總線上有錯(cuò)誤傳輸時(shí)，將向總線上發(fā)“主動(dòng)出錯(cuò)幀”；處于錯(cuò)誤被動(dòng)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)總線上有錯(cuò)誤傳輸時(shí)，將向總線上發(fā)“被動(dòng)出錯(cuò)幀”；當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入總線脫離狀態(tài)時(shí)，將完全退出總線操作。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)原理

RS232串口通信與CAN通信是兩種不同的傳輸方式，無(wú)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(shè)計(jì)主要完成RS232接口與CAN總線協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，以及數(shù)據(jù)的雙向傳輸。設(shè)計(jì)原理如圖1所示。RS232接口端信號(hào)經(jīng)過(guò)RS232電平轉(zhuǎn)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(jīng)光電隔離的CAN收發(fā)器發(fā)送到CAN總線上。

本設(shè)計(jì)采用的RS232電平轉(zhuǎn)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(gè)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(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)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(xiě)端RD、WR分別連接Atmega128的PG1/RD、PG0/WR，CS連接到Atmega128的PC6，Atmega128的時(shí)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(fù)電壓來(lái)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(jì)算機(jī)接口或終端的TTL器件連接,必須在RS232接口與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。MAX232芯片可完成TTL?RS232電平的雙向轉(zhuǎn)換。

ATmega128單片機(jī)是基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器,為AVR單片機(jī)系列中的高性能單片機(jī)。ATmega128單片機(jī)內(nèi)部帶有128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash程序存儲(chǔ)器，具有同時(shí)讀寫(xiě)能力；4 KB的E2PROM；4 KB的SRAM；53個(gè)通用I/O端口線；32個(gè)通用工作寄存器；4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)；2個(gè)USART；串行外圍設(shè)備接口(SPI)；與IEEE1149．1規(guī)范兼容的JTAG測(cè)試接口，可以用于片上調(diào)試；6種省電模式；53個(gè)可編程I/O端13線；由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz等。

SJA1000是一種獨(dú)立的CAN控制器，主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(yàn)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(nèi)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(zhuǎn)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(hù)作用。該芯片符合ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)，可與其他遵從ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)的CAN 收發(fā)器互連。

3 軟件設(shè)計(jì)

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

本設(shè)計(jì)可以將RS232通信網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成CAN通信網(wǎng)絡(luò)，能夠很方便地實(shí)現(xiàn)RS232多點(diǎn)組網(wǎng)、遠(yuǎn)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(yīng)用領(lǐng)域，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到更先進(jìn)的水平。