CAN／RS 232接口卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：詳細(xì)敘述了一種利用AT89S51單片機(jī)和SJAl000總線控制器的CAN總線與RS 232接口卡的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法；通過對(duì)串行通信協(xié)議的加強(qiáng)，設(shè)計(jì)了一種同步的串行通信協(xié)議。該接口卡可以方便地建立起計(jì)算機(jī)與CAN總線之間的通信，能夠使CAN總線的設(shè)計(jì)者方便地觀察總線的運(yùn)行情況和各個(gè)節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的數(shù)據(jù)。實(shí)際運(yùn)行證實(shí)了其可靠性和易用性。
關(guān)鍵詞：CAN總線；RS 232；串行通信協(xié)議；總線控制器

    控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，并被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN總線廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的各檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。因?yàn)镃AN總線數(shù)據(jù)的傳輸和處理都由節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)完成。這樣就使設(shè)計(jì)者和觀察者沒有辦法以比較直觀的方式掌握總線的運(yùn)行情況。現(xiàn)在市場(chǎng)上主要有兩種CAN的接口卡，使用PCI總線和使用USB接口。前者具有傳輸速度快的特點(diǎn)，但卻要占用一個(gè)計(jì)算機(jī)的插槽，并且設(shè)計(jì)上十分困難；后者的傳輸速度也很快，且價(jià)格較便宜，但要花費(fèi)很大的精力進(jìn)行USB的固件開發(fā)和維護(hù)，并要編寫復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)程序。根據(jù)此，需要設(shè)計(jì)一種能夠方便讀取CAN總線數(shù)據(jù)，并通過RS 232串行口將數(shù)據(jù)送給PC機(jī)處理和顯示的接口卡；此外還需對(duì)其串行傳輸?shù)膮f(xié)議進(jìn)行加強(qiáng)，以使能有效地降低傳輸過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

1 接口卡的硬件設(shè)計(jì)
    硬件部分主要包括主控制器、CAN總線控制器、CAN總線收發(fā)器以及與計(jì)算機(jī)的RS 232通信接口芯片等。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控制器通過CAN總線接口接收和緩存數(shù)據(jù)。根據(jù)PC機(jī)的命令進(jìn)行選擇性的數(shù)據(jù)傳輸。

1．1 與CAN總線接口
    如圖2所示，接口卡的控制器選用Atmel公司的AT89S51，該單片機(jī)的引腳和功能與8051兼容，并且內(nèi)部含有4 KB的FLASH ROM，支持在系統(tǒng)編程(ISP)，這樣可以很方便地將應(yīng)用程序下載到單片機(jī)里。
    CAN總線控制器選用Philips公司生產(chǎn)的SJA1000，該芯片是PCA82C200CAN控制器的替代品，而且新增加了一種PeliCAN工作模式，能夠支持CAN 2．0B協(xié)議。它還支持錯(cuò)誤中斷、報(bào)警限制、驗(yàn)收濾波器擴(kuò)展和自接收請(qǐng)求等功能。在系統(tǒng)中，將SJA1000的中斷輸出引腳INT接到單片機(jī)的中斷輸入引腳，這樣可以在接收數(shù)據(jù)或者總線錯(cuò)誤時(shí)產(chǎn)生中斷，由控制器進(jìn)行相應(yīng)的處理。SJA1000的片選CS端接單片機(jī)的P2．7引腳，這樣SJA1000的地址就確定為7F00H～7FFFH。
    選用芯片82C250作為CAN控制器和物理總線間的驅(qū)動(dòng)接口，可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力，其最高速可達(dá)1 Mb／s。由于實(shí)際系統(tǒng)中存在干擾，故增加高速光隔6N137，以起到隔離的作用。電氣接口很簡單，有CANH和CANL兩根線，用以完成CAN的數(shù)據(jù)傳輸。在CAN總線的兩端有一個(gè)120Ω的電阻，其作用為匹配總線阻抗，用于提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性。具體電路如圖2所示。

1．2 與RS 232接口
    RS 232標(biāo)準(zhǔn)是美國電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)(EIA)制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)，它適合于數(shù)據(jù)傳輸率在O～20 000 b／s范圍內(nèi)的通信，目前廣泛用于計(jì)算機(jī)與終端或外設(shè)之間的近端連接。實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平在5～15V之間。所以為了與單片機(jī)進(jìn)行通信。必須對(duì)其電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在常用的轉(zhuǎn)換芯片是MAX232。MAX232內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，只需5V電源便可實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS 232電平的轉(zhuǎn)換，使用十分方便。串口接口電路如圖3所示。

2 接口卡的軟件設(shè)計(jì)
2．1 RS 232接口軟件設(shè)計(jì)
    單片機(jī)與PC端的數(shù)據(jù)通信需要設(shè)計(jì)一個(gè)通信協(xié)議，采用同步通信方式進(jìn)行。將通信協(xié)議分成命令幀、應(yīng)答幀和數(shù)據(jù)幀三種格式。每種幀都包含有起始字節(jié)、數(shù)據(jù)長度、校驗(yàn)字節(jié)和幀結(jié)束字節(jié)。具體格式如圖4所示。

    命令幀共6個(gè)字節(jié)，傳輸方向?yàn)镻C機(jī)到單片機(jī)。以0X00H作為幀起始，數(shù)據(jù)長度為2，當(dāng)數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)2同為0X00時(shí)，表示啟動(dòng)接口卡，單片機(jī)接收到該信號(hào)后．會(huì)初始化SJA1000，并將結(jié)果反饋給PC機(jī)(成功或失敗)；當(dāng)數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)2同為0XFFH時(shí)，表示要求接口卡停止工作，單片機(jī)會(huì)讓SJA1000進(jìn)入睡眠模式，以退出總線；當(dāng)數(shù)據(jù)1為0X01H時(shí)，表示PC機(jī)要求只接收某個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)2則表示該接點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)，單片機(jī)會(huì)重新設(shè)置SJA1000的驗(yàn)收濾波器，屏蔽掉其他不需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。
    應(yīng)答幀共6個(gè)字節(jié)，傳輸方向?yàn)閱纹瑱C(jī)到PC機(jī)。以0X11H作為幀起始，數(shù)據(jù)長度為2，當(dāng)單片機(jī)接收到PC機(jī)的啟動(dòng)或停止命令，并設(shè)置成功后，發(fā)送兩字節(jié)數(shù)據(jù)同為0X00H給PC，若設(shè)置失敗，則發(fā)送兩字節(jié)數(shù)據(jù)同為0XFFH給PC；對(duì)于PC要求讀取特定節(jié)點(diǎn)的命令，單片機(jī)以0X10H作為應(yīng)答起始，并以兩字節(jié)同為0X00H表示成功，兩字節(jié)同為0XFFH表示失敗。
    數(shù)據(jù)幀為接口卡從總線上讀到的數(shù)據(jù)，因?yàn)榭偩€上數(shù)據(jù)有標(biāo)準(zhǔn)幀、遠(yuǎn)程幀等之分，而且每個(gè)幀中裝載的數(shù)據(jù)長度未知，所以數(shù)據(jù)幀的長度不定，其傳輸方向也為單片機(jī)到PC，起始字節(jié)為0X22H。SJA1000每次接收到有效數(shù)據(jù)后會(huì)讓單片機(jī)產(chǎn)生接收中斷，單片機(jī)則在中斷處理中將數(shù)據(jù)首先讀入到RAM中暫時(shí)存放，然后計(jì)算其數(shù)據(jù)長度和校驗(yàn)和，將數(shù)據(jù)封裝成幀，然后將幀通過串口送給PC處理和顯示。
    各種類型的幀以0X33H作為幀結(jié)束標(biāo)識(shí)。校驗(yàn)和字節(jié)用來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，單片機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)前將各個(gè)字節(jié)相加，并將結(jié)果填人校驗(yàn)字節(jié)。PC端接收到數(shù)據(jù)后，重新計(jì)算校驗(yàn)和，并與單片機(jī)發(fā)送的校驗(yàn)和相比較，相同則正確接收，否則要求單片機(jī)重新發(fā)送。
2．2 協(xié)議的透明性分析
    在同步傳輸數(shù)據(jù)的過程中，幀的起始字節(jié)和結(jié)束字節(jié)是非常重要的，它能夠保證數(shù)據(jù)幀的準(zhǔn)確性。但因?yàn)檫@兩個(gè)字節(jié)的存在，同時(shí)也引出了另一個(gè)待解決的問題，就是當(dāng)數(shù)據(jù)場(chǎng)中出現(xiàn)了與起始字節(jié)相同的數(shù)據(jù)時(shí)，很有可能會(huì)導(dǎo)致PC端把它看成一個(gè)新的幀起始，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的處理和顯示錯(cuò)誤，這也就是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐该餍詥栴}。針對(duì)串口的數(shù)據(jù)傳輸，有一種比較好的解決方案。該方法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為ASCII字符來進(jìn)行傳送，就是將每個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，將一個(gè)16進(jìn)制的字節(jié)拆分成兩個(gè)字節(jié)，如5AH，5BH，5CH，…，可以拆分為50H，0AH，50H，0BH，50H，OCH，…，PC機(jī)再接收到數(shù)據(jù)后，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩相或組合。這樣，只需要32個(gè)字節(jié)就可以組合成為00H～0FFH中任一個(gè)數(shù)據(jù)。但這種辦法的缺點(diǎn)也是顯而易見的，應(yīng)用它所發(fā)送的有效數(shù)據(jù)量是正常發(fā)送的兩倍，對(duì)于串口這種傳輸速度不高的通信介質(zhì)而言，在數(shù)據(jù)量較大的情況下，不是一種可取的方法。
    在該接口卡中作者采取了另一種轉(zhuǎn)義字符的方法。首先定義一個(gè)轉(zhuǎn)義字符標(biāo)識(shí)OXDBH。對(duì)于CAN總線而言，其每個(gè)幀的最大數(shù)據(jù)長度為8，即使將CAN的幀信息和識(shí)別碼全部當(dāng)作數(shù)據(jù)發(fā)送，其長度最大也只有13 B。這樣可以肯定的是，正常情況下數(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)長度字節(jié)的高4位必然為0。因此在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，首先檢查該數(shù)據(jù)中是否有與起始字節(jié)0X22H、結(jié)束字節(jié)0X33H和轉(zhuǎn)義標(biāo)識(shí)0XDBH相同的數(shù)據(jù)，如果沒有，則正常發(fā)送；如果有，則檢測(cè)出與這兩個(gè)字節(jié)相同數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，并將該個(gè)數(shù)填充到數(shù)據(jù)長度字節(jié)的高4位中；同時(shí)，將這些數(shù)據(jù)前添加轉(zhuǎn)義字符標(biāo)識(shí)，并將該數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)義。如數(shù)據(jù)0X22H。0X33H，0XDBH…，則轉(zhuǎn)義成0XDBH。0XD2H。0XDBH，0XD3H，0XDBH，0XDDH…。PC機(jī)在接收到數(shù)據(jù)幀后，首先檢查數(shù)據(jù)長度字節(jié)，看其高4位是否為0，如果為0，說明該數(shù)據(jù)組不存在轉(zhuǎn)義字符，可以直接處理；如果為N。則表明數(shù)據(jù)組中存在N個(gè)轉(zhuǎn)義字符，并且每個(gè)轉(zhuǎn)義字符都以0XDB開始，需要首先將它們重新修改回原始數(shù)據(jù)。相比而言，這種辦法有很好的穩(wěn)定性和接口利用率，其數(shù)據(jù)流量也不會(huì)很高。
2．3 CAN接口程序設(shè)計(jì)
    CAN總線的接口程序主要就是進(jìn)行SJA1000的初始化過程和后面的接收中斷處理過程。CAN初始化主要是設(shè)置CAN的通信參數(shù)。需要初始化的CAN控制寄存器有：模式寄存器(MOD)、驗(yàn)收代碼寄存器(ACR)、驗(yàn)收屏蔽寄存器(AMR)、總線定時(shí)寄存器(RTR)、輸出控制寄存器(OC)、中斷寄存器(IR)和中斷使能寄存器(IER)等。這些寄存器都只能在SJA1000處于復(fù)位狀態(tài)下才可寫訪問。當(dāng)SJA1000進(jìn)入工作模式后，就能夠自動(dòng)接收總線上的數(shù)據(jù)，并將其放入接收緩沖區(qū)，同時(shí)產(chǎn)生接受中斷，單片機(jī)進(jìn)入中斷后將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)中讀出，并釋放緩沖區(qū)。中斷返回后，再將數(shù)據(jù)封裝成幀發(fā)送給PC機(jī)。
2．4 PC端程序設(shè)計(jì)
    PC端程序使用VB 6．0進(jìn)行開發(fā)。VB 6．O在圖形界面的制作上比較方便，使用Mscomm組件能夠輕松地制作串口的監(jiān)視環(huán)境。只要在軟件設(shè)計(jì)時(shí)將上述協(xié)議添加進(jìn)行。圖5給出了使用VB 6．0開發(fā)的軟件調(diào)試情況。

3 結(jié) 語
    該CAN總線接口卡經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明可以達(dá)到預(yù)期的要求，能夠良好地監(jiān)視總線上的數(shù)據(jù)，而且結(jié)構(gòu)簡單，有較大的利用價(jià)值。當(dāng)CAN總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)流量較大時(shí)，可以考慮使用USB接口和PC機(jī)進(jìn)行通信，這樣就能夠更好地解決速度匹配和應(yīng)用場(chǎng)合受限的問題。