多路UART總線與CAN總線通訊系統(tǒng)設(shè)計

摘要：主要利用TI公司的多路異步收發(fā)器TL16C554和PHILIPS公司的SJA1000設(shè)計一個多路總線協(xié)議轉(zhuǎn)換通訊系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)4路UART總線與CAN總線之間的相互轉(zhuǎn)換過程，采用微控制器AT89S51來控制通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過硬件電路實(shí)驗(yàn)和軟件調(diào)試算法，得到了4路串行總線與CAN總線之間的相互透明轉(zhuǎn)換過程。該電路系統(tǒng)大大方便了具有UART接口的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)傳輸，增強(qiáng)了系統(tǒng)的通訊可靠性。
關(guān)鍵詞：UART；CAN；總線協(xié)議；協(xié)議轉(zhuǎn)換

    由于在消費(fèi)類電子產(chǎn)品、計算機(jī)外設(shè)、汽車和工業(yè)應(yīng)用中增加了嵌入式功能，對低成本、高速和高可靠通信介質(zhì)的要求也不斷增長，以滿足這些應(yīng)用，其結(jié)果是越來越多的處理器和控制器用不同類型的總線集成在一起，實(shí)現(xiàn)與PC軟件、開發(fā)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的通信。微處理器中常用的集成串行總線是通用異步接收器傳輸總線、串行通信接口以及車用串行總線，包括控制器局域網(wǎng)(CAN)。這些總線在速度、物理接口要求和通信方法學(xué)上都有所不同。本文主要利用TI公司的多路異步收發(fā)器TL16C554和PHILIPS公司的SJA1000實(shí)現(xiàn)一個4路UART總線與CAN總線之間的相互通訊過程。

1 UART與CAN介紹
    UART模塊采用TI公司的TL16C554，它是含有4路16C550的增強(qiáng)型異步通訊電路，每路通道能從外圍設(shè)備或MODEM接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換；同時，也可以從CPU端接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)并串轉(zhuǎn)換。TL16C554內(nèi)部具有16 B的接收和發(fā)送FIFO，在FIFO模式下，通過使用RTS和CTS輸入信號可以自動控制串行數(shù)據(jù)流，可選的自動流控制特性大大降低了軟件規(guī)模，提高了系統(tǒng)效率。TL16C554也可以通過FIFO觸發(fā)點(diǎn)與TXRDY或RXRDY信號實(shí)現(xiàn)DMA模式的數(shù)據(jù)傳輸，片內(nèi)的狀態(tài)寄存器為用戶提供錯誤指示、器件的工作狀態(tài)和調(diào)制解調(diào)器接口控制?？赏ㄟ^調(diào)整系統(tǒng)中斷來滿足用戶的要求，內(nèi)部的環(huán)回模式實(shí)現(xiàn)了片內(nèi)的故障診斷。TL16C554電路的串行數(shù)據(jù)格式為：

    這些數(shù)據(jù)格式主要通過電路的線控制寄存器來進(jìn)行控制，其中起始位為低電平“0”；數(shù)據(jù)位長度可選擇5～8位；奇偶校驗(yàn)位可選擇為奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無校驗(yàn)；停止位可選擇1位、2位或1／2位。
    CAN模塊采用一種獨(dú)立的CAN控制器SJA1000，主要用于移動目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制，是PHILIPS公司半導(dǎo)體PCA82C200CAN控制器的替代產(chǎn)品。SJA1000具有BasicCAN和PeliCAN 2種工作方式。BasicCAN模式是上電后默認(rèn)的操作模式，而PeliCAN模式是新的操作模式，它能夠處理所有CAN2．0B規(guī)范的幀類型，而且它還提供一些增強(qiáng)功能，使SJA1000能應(yīng)用于更寬的領(lǐng)域。
    其中SJA1000的數(shù)據(jù)幀格式為：

2 系統(tǒng)設(shè)計
    系統(tǒng)總體電路圖如圖1所示，主要有3個部分組成，UART模塊、CAN模塊和微控制處理器。UART模塊采用TI公司的TL16C554，它是一個4路通用異步收發(fā)器，每路均能從外圍設(shè)備或MODEM接收串行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)串一并轉(zhuǎn)換；同時，它也可以從CPU端接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)并一串轉(zhuǎn)換。

    CAN模塊采用PHILIPS公司的SJA1000，它是一種獨(dú)立的CAN控制器兼容CAN2．0A和CAN2．0B兩種技術(shù)規(guī)范。微控制器采用8位單片機(jī)AT89S 51，主要對UART模塊和CAN模塊進(jìn)行初始化控制，并產(chǎn)生串行數(shù)據(jù)輸送給UART模塊。
2．1 UART模塊通訊設(shè)計
    UART模塊通訊設(shè)計主要利用單片機(jī)控制4路異步收發(fā)器TL16C554。單片機(jī)首先通過數(shù)據(jù)線D7～D0、地址線A2～A0初始化TL16C554，配置好串行傳輸波特率、字符格式以及中斷控制信號等寄存器，并通過4路通道的片選信號CSA，CSB，CSC和CSD選通其中的一路。利用單片機(jī)自身的串行接口發(fā)送串行數(shù)據(jù)，送入TL16C554，UART模塊接收到串行數(shù)據(jù)后，將其轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)存入FIFO中，并通知單片機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成，單片機(jī)從UART模塊的FIFO中讀取數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)備好發(fā)送給CAN模塊。通訊流程圖如圖2所示。

    如果要實(shí)現(xiàn)多路UART總線與CAN總線通訊，利用通道各自的片選信號進(jìn)行控制，在一路通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后再進(jìn)行選通另一路通道，相互之間必須進(jìn)行分時操作，協(xié)調(diào)處理。
2．2 CAN模塊通訊設(shè)計
    CAN模塊通訊設(shè)計主要利用單片機(jī)控制SJA1000控制器。單片機(jī)首選通過地址數(shù)據(jù)復(fù)用線AD7～AD0對SJA1000進(jìn)行初始化設(shè)置，包括時鐘分頻寄存器、輸出控制寄存器、總線定時寄存器和驗(yàn)收濾波器等，通過這些寄存器可以設(shè)置選擇工作模式為BasicCAN或是PeliCAN，CLKOUT引腳的頻率、以及通信波特率等。設(shè)置好寄存器，就等待單片機(jī)將從UART模塊讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送給SJA1000的發(fā)送緩沖器，CAN模塊將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAN總線形式并通過收發(fā)器發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中去。通訊流程圖如圖3所示。

2．3 通訊過程
    系統(tǒng)通訊電路圖如圖1所示，為了能實(shí)現(xiàn)UART與CAN之間的相互通訊，采用2個圖1所示的電路圖，將CAN收發(fā)器的CANH，CANL連接在一起，形成2個CAN節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。這樣就能實(shí)現(xiàn)UART→CAN→CAN→UART的通訊過程。在節(jié)點(diǎn)1中，單片機(jī)首先發(fā)送8個串行數(shù)據(jù)55，56，…，5B．5C(16進(jìn)制)送給TL16C554的串行通道，UART模塊接收到串行數(shù)據(jù)后由SJA1000轉(zhuǎn)換成CAN總線數(shù)據(jù)A1，A2，A3，A0，08，55，56，…，5C，65，61(16進(jìn)制)，其中A1，A2，A3，A0，08為PeliCAN模式下的識別碼和幀信息，65，61為CRC校驗(yàn)碼。轉(zhuǎn)換成CAN總線后通過CANH、CANL將數(shù)據(jù)送入節(jié)點(diǎn)2的CAN模塊，SJA1000接收到數(shù)據(jù)后由TL16C554轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)88，A1，A2，A3，A0，55，56，…，5B，5C(16進(jìn)制)發(fā)送出去，其中88，A1，A2，A3，A0為幀信息和識別碼。示波器采集的通訊波形圖如圖5所示。

    為了能使轉(zhuǎn)換結(jié)果更清楚的顯示，將TL16C554的TXA通過RS 232串行數(shù)據(jù)線連接到PC機(jī)，硬件連接如圖6所示。這樣最終轉(zhuǎn)換的UART數(shù)據(jù)就可以通過PC機(jī)顯示出來，結(jié)果如圖7所示。

3 結(jié)語
    本文設(shè)計了一個多路UART總線與CAN總線進(jìn)行相互通訊的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，從測試結(jié)果來看，該沒計系統(tǒng)完全可以實(shí)現(xiàn)兩者間的透明轉(zhuǎn)換。利用CAN總線傳輸距離長、通訊靈活等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)可以有效的延長UART串行總線的通訊距離、提高傳輸速率，大大方便了具有UART接口的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)傳輸。