基于CAN總線的RS-232串口設(shè)備遠(yuǎn)程通信

   摘要：闡述了CAN總線在232串口設(shè)備遠(yuǎn)程通信或自組網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，介紹了CAN到RS-232轉(zhuǎn)換裝置的軟硬件設(shè)計(jì)方法。重點(diǎn)對(duì)軟件設(shè)計(jì)中CAN波特率的設(shè)置、串口波特率的自動(dòng)檢測(cè)以及數(shù)據(jù)流控制等作為詳細(xì)的敘述。

    關(guān)鍵詞：CAN 波特率 流控制

1 引言

工業(yè)設(shè)備通信通常涉及到很多硬件和軟件產(chǎn)品以及用于連通標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)平臺(tái)（個(gè)人計(jì)算機(jī)或工作站）和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)備的協(xié)議，而且所使用設(shè)備和協(xié)議的種類(lèi)繁多。因此，大部分自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)備都希望執(zhí)行簡(jiǎn)單的串行命令，并希望這些命令同個(gè)人計(jì)算機(jī)或者附加的串行端口板上的標(biāo)準(zhǔn)串行端口兼容。RS-232是目前PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。由于RS-232的發(fā)送端與接收端之間有公共信號(hào)地，所以它不能使用雙端信號(hào)，否則，共模噪聲會(huì)耦合到信號(hào)系統(tǒng)中。RS-232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其最大距離僅為15m，信號(hào)傳輸速率最高為20kbit/s。

CAN，全稱(chēng)為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，一個(gè)由CAN總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)受到網(wǎng)絡(luò)硬件電氣特性的限制。CAN作為一種多主方式的串行通訊總線，其基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求高位速率和較高的抗電磁干擾性能，而且要能夠檢測(cè)出通訊總線上產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)10km時(shí)，CAN仍可提供高達(dá)50kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。表1為CAN總線上任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間最大傳輸距離與其位速率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 CAN總線系統(tǒng)任意兩節(jié)鼎足之勢(shì)之間的最大距離

位速率/kbps	1000	500	250	125	100
最大距離/m	40	130	270	530	620
位速率/kbps	50	20	10	5
最大距離/m	1300	3300	6700	10000

由此可見(jiàn)，無(wú)論從實(shí)時(shí)性、適應(yīng)性、靈活性，還是可靠性上來(lái)看，CAN總線都是一種比RS-232更為優(yōu)秀的串行總線。當(dāng)兩臺(tái)串口設(shè)備的相距較遠(yuǎn)，不能直接用RS-232把它們連接起來(lái)時(shí)，就可以把RS-232轉(zhuǎn)換為CAN，通過(guò)CAN總線來(lái)實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互連。

但是，RS-232和CAN在電平和幀格式上都是很大的不同。具體表現(xiàn)如下：

RS-232標(biāo)準(zhǔn)電平采用負(fù)邏輯，規(guī)定+3V～+15V之間的任意電平為邏輯“0”電平，-3V～-15V之間的任意電平為邏輯“1”電平。而CAN信號(hào)則使用差分電壓傳送，兩條信號(hào)線稱(chēng)為“CAN_H”和“CAM_L”，靜態(tài)時(shí)均為2.5V左右，此時(shí)的狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”；用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱(chēng)為“顯性”。顯性時(shí)，通常電壓值為：CAN_H=3.5V，CAN_L=1.5V；

RS-232串口的幀格式為：一位起始位，八位數(shù)據(jù)位，一位可編程的第九位（此位為發(fā)送和接收的地址/數(shù)據(jù)位），一位停止位。而CAN的數(shù)據(jù)幀格式為：幀信息+ID+數(shù)據(jù)（可分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種格式）。

    因此，設(shè)計(jì)時(shí)就需要有一個(gè)微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)電平和幀格式等的轉(zhuǎn)換。其轉(zhuǎn)換方式如圖1所示。

2 RS-232到CAN轉(zhuǎn)換的硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)RS-232到CAN的轉(zhuǎn)換裝置時(shí)，用單片機(jī)AT89C52作為微處理器；用SJA1000作為CAN微控制器，SJA1000中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可被動(dòng)局面對(duì)通信數(shù)據(jù)的幀處理；AT82C250作為CAN控制器和物理總線之間的接口，用于提供總線的差動(dòng)發(fā)送能力和CAN控制器的差動(dòng)接收能力，通過(guò)AT82C250的引腳3可選擇三種不同的工作方式（高速、斜率控制和待機(jī)）。其中引腳3接地時(shí)為高速方式；高速光隔用6N137實(shí)現(xiàn)，其作用是防止串入信號(hào)干擾；MAX232用來(lái)完成232電平到微控制器接口芯片TTL電平的轉(zhuǎn)換。具體的硬件接口電路參見(jiàn)SJA1000的有關(guān)資源，這里不再多做說(shuō)明。但有以下幾點(diǎn)需要注意。

（1）CAN總線兩端接有一個(gè)120Ω的電阻，其作用是匹配總線阻抗，提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠行。但實(shí)際上只需保證CAN網(wǎng)絡(luò)中“CAN_H”和“CAN_L”之間的跨接電阻為60Ω即可。

（2）SJA1000的20引腳RX1在不使用時(shí)可接地（具體原因見(jiàn)軟件設(shè)計(jì)），配合CDR.6的置位可使總線長(zhǎng)度大大增加。

（3）引腳TX0、TX1的接法決定了串行輸出的電平。具體關(guān)系可參考輸出控制寄存器OCR的設(shè)置。

（4）AT82C250的RS引腳與地間接有一個(gè)斜率電阻。電阻大小可根據(jù)總線通信速度作適當(dāng)調(diào)整，一般在16kΩ～140kΩ之間。

（5）MAX232外圍需要四個(gè)電解電容C1、C2、C3、C4，這些電容也是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需電容，其取值均為1μF/25V，宜選用鉭電容并且位置應(yīng)用量靠近芯片，電源VCC和地之間要接一個(gè)0.1μF的去耦電容。

3 RS-232到CAN轉(zhuǎn)換的軟件設(shè)計(jì)

在微處理控制下，RS-232和CAN進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，采用串口接收和CAN中斷方式可提高工作效率。其主程序流程圖如圖2所示。SJA1000的初始化在復(fù)位模式下才可以進(jìn)行，主要包括工作方式的設(shè)置、時(shí)鐘分頻和驗(yàn)收濾波寄存器的設(shè)置、波特率參數(shù)的設(shè)置以及中斷允許寄存器的設(shè)置等。

數(shù)據(jù)能否準(zhǔn)確傳遞還取決于波特率和流量控制，這也是軟件設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略的地方。因此接下來(lái)主要介紹CAN波特率的設(shè)置、串口波特率的自動(dòng)檢測(cè)、串口數(shù)據(jù)流量控制。

3．1 CAN濾波率的設(shè)置

CAN協(xié)議中的要素之一是波特率。用戶可以設(shè)置位周期中的位采樣點(diǎn)位置和采樣次數(shù)，以使用戶可以自由地優(yōu)化應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)性能，但在優(yōu)化過(guò)程中，要注意位定時(shí)參數(shù)基準(zhǔn)參考振蕩器的容差和系統(tǒng)中不同信號(hào)傳播延遲之間的關(guān)系。

系統(tǒng)的位速率fBil表示每單位時(shí)間傳輸數(shù)據(jù)位的量，即波特率fBit=1/tBit。額定的位定時(shí)由3個(gè)互不重疊的段SYNC_SEG、TSEG1和TSEG2組成，這3個(gè)時(shí)間段分別是TSYNC_SEG、TSEG1和TSEG2組成，這3個(gè)時(shí)間段分別是tSYNC_SEG、tTSEG1和tTSEG2。所以，額定位周期tBit是3個(gè)時(shí)間段的和。

tBit=tSYNC_SEG+tTSEG1+tTSEG2

位周期中這些段都用整數(shù)個(gè)基本時(shí)間單位來(lái)表示。該時(shí)間單位叫時(shí)間份額TQ，時(shí)間份額的持續(xù)時(shí)間是CAN系統(tǒng)時(shí)鐘的一個(gè)周期tSCL，可從振蕩器時(shí)鐘周期tCLK取得。通過(guò)編程預(yù)分頻因數(shù)（波特率預(yù)設(shè)值BRP）可以調(diào)整CAN系統(tǒng)時(shí)鐘。具體如下：

tSCL=BRP×2tCLK=2BPR/fCLK

對(duì)CAN位定時(shí)計(jì)算的另一個(gè)很重要的時(shí)間段是同步跳轉(zhuǎn)寬度（SJW），持續(xù)時(shí)間是tSJW。SJW段并不是位周期的一段，只是定義了在重同步事件中被增長(zhǎng)或縮短的位周期的最大TQ數(shù)量。此外，CAN協(xié)議還允許用戶指定位采樣模式（SAM），分別是單次采樣和三次采樣模式（在3個(gè)采樣結(jié)果中選出1個(gè)）。在單次采樣模式中，采樣點(diǎn)在TESG1段的末端。而三次采樣模式比單次采樣多取兩個(gè)采樣點(diǎn)，它們?cè)赥SEG1段末端的前面，之間相差一個(gè)TQ。

上面所提到的BPR、SJW、SAM、TESG1、TESG2都可由用戶通過(guò)CAN控制器的內(nèi)裝中寄存器BTR0和BTR1來(lái)定義。具體如圖3所示。設(shè)置好BTR0和BTR1后，實(shí)際傳輸?shù)牟ㄌ芈史秶鸀椋?/P>

最大=1/（tBit-tSJW），最小=1/（tBit+tSJW）

3.2 串口波特率檢測(cè)

當(dāng)串口設(shè)備是主機(jī)時(shí)，如需檢測(cè)此時(shí)轉(zhuǎn)換裝置的串口波特率，首先可對(duì)主機(jī)的接收波特率（以9600波特為例）進(jìn)行設(shè)定，并在終端發(fā)送一個(gè)特定的字符（以回車(chē)符為例），這樣，主機(jī)根據(jù)接收到的字符信息就可以確定轉(zhuǎn)換裝置的通信波特率?；剀?chē)符的ASCII值是0DH，在不同波特率下接收到的值如表2所列。

表2 不同波特率下接收的字節(jié)

波特率（bit/s）	接收字節(jié)（十六進(jìn)制）	波特率（bit/s）	接收字節(jié)（十六進(jìn)制）
1200	80	4800	E6
1800	F0	9600	0D
2400	78	19200	F*

3．3 串口流控制

此處講到的“流“指的是數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)在兩個(gè)串口之間的傳輸時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。由于單片機(jī)緩沖區(qū)有限，如接收數(shù)據(jù)時(shí)緩沖區(qū)已滿，那么此時(shí)繼續(xù)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。而流控制能有效地解決該問(wèn)題，當(dāng)接收端數(shù)據(jù)處理不過(guò)來(lái)時(shí)，流控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出“不再接收”的信號(hào)，而使發(fā)送端停止發(fā)送，直到收到“可以繼續(xù)發(fā)送”的信號(hào)再發(fā)送數(shù)據(jù)。因此流控制可以控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M(jìn)程，防止數(shù)據(jù)丟失。常用的兩種流控制是硬件流控制（包括RTS/CTS、DTR/CTS等）和軟件流控制XON/XOFF（繼續(xù)/停止），下面僅就硬件流控制RTS/CTS加以說(shuō)明。

采用硬件進(jìn)行流控制時(shí)，串口終端RTS、CTS接到單片機(jī)的I/O口，通過(guò)置I/O口為1或0來(lái)接收和發(fā)出起停信號(hào)。數(shù)據(jù)終端設(shè)備（如計(jì)算機(jī)）使用RTS來(lái)起始單片機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)流，而單片機(jī)則用CTS來(lái)起動(dòng)和暫停來(lái)自計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)流。實(shí)現(xiàn)這種硬件握手方式時(shí)，在編程時(shí)根據(jù)接收端緩沖區(qū)的大小設(shè)置一個(gè)高位標(biāo)志和一個(gè)低位標(biāo)志，當(dāng)緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)量達(dá)到高位時(shí)，就在接收端將CTS線置低（送邏輯0），而當(dāng)發(fā)送端的程序檢測(cè)到CTS為低后，就停止發(fā)送數(shù)據(jù)，直到接收端緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)量低于低位而將CTS置高為止。RTS則用來(lái)標(biāo)明接收設(shè)備有沒(méi)有準(zhǔn)確好接收數(shù)據(jù)。

    3．4 CAN接收子程序

PeliCAN格式既可以發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)幀也可以送擴(kuò)展幀，利用時(shí)鐘分頻寄存器中的CDR.7可以調(diào)協(xié)CAN模式（0-BasicCAN,1-PeliCAN），接收CAN數(shù)據(jù)時(shí)，可根據(jù)幀信息中的FF位來(lái)判斷是標(biāo)準(zhǔn)幀還是擴(kuò)展幀，并且RTR位來(lái)判斷是遠(yuǎn)程幀還是數(shù)據(jù)幀。以下是CAN接收子程序：

；//////////////////////////////////////////////////////////////////

；//CAN數(shù)據(jù)接收/統(tǒng)一成2個(gè)字節(jié)ID的幀格式//

；///////////////////////////////////////////////////////////////////////

RECAN：

MOV R0，#C_RE ；單片機(jī)內(nèi)緩沖區(qū)起始地址

MOV DPTR，#RXBUF ；讀取并保存接收緩沖區(qū)的內(nèi)容

MOVX A，@DPTR ；讀取CAN緩沖區(qū)的2號(hào)字節(jié)

MOV @R0,A ;保存

JB ACC.7,EFF_RE ;FF位，0-SFF，1-EFF

MOV R2，#0

SJMP SFF_RE ;ID數(shù)目不同，截取“數(shù)據(jù)字節(jié)”的位置不同

EFF_RE:MOV R2,#2

SFF_RE:MOV R2,#2

SFF_RE:

JB ACC.6,EXIT_RECAN ;RTR位判斷，1-遠(yuǎn)程幀，則跳出

ANL A，#0FH

MOV R3，A ；這時(shí)截取中間4位是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

MOV C_NUM,A ;R3,R5中存放接收幀的長(zhǎng)度

RDATA0：

INC DPTR ；2個(gè)字節(jié)ID

INC R0

MOVX A，@DPTR

MOV @R0,A

INC DPTR

MOVX A,@R0,A

INC DPTR

MOVX A,@DPTR

MOV @R0,A

MOV A,R2 ;如果是EFF則跳過(guò)兩個(gè)字節(jié)ID

JZ DRATA1

INC DPTR

INC DPTR

DATA1： ；數(shù)據(jù)字節(jié)

INC DPTR

INC R0

MOVX A，@DPTR

MOV @R0,A

DJNZ R3,RDATA1

EXIT_RECAN:

RET

4 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)的微型化為測(cè)控儀表的智能化提供了必要的條件，使得帶微處理器的終端設(shè)備具備更好的數(shù)字通信能力。隨著越來(lái)越多智能終端的出現(xiàn)，無(wú)論是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、協(xié)議、實(shí)時(shí)性，還是適用性、靈活性、可靠性乃至成本都有了更高的要求，因此現(xiàn)場(chǎng)總線有著很好的發(fā)展前景。CAN總線的幀結(jié)構(gòu)擁有標(biāo)識(shí)ID，這使得設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中擁有多臺(tái)網(wǎng)絡(luò)主機(jī)成為可能，即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)主機(jī)可以監(jiān)控整個(gè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的工作情況并作出相應(yīng)的控制決策。本裝置目前已開(kāi)發(fā)完成，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了非常好的效果。