PIC單片機(jī)的RS-232串口轉(zhuǎn)工業(yè)現(xiàn)場總線通信適配卡設(shè)計(jì)

CAN總線-控制器局部網(wǎng)(CAN)國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)。CAN總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其特點(diǎn)可概括如下：CAN為多主方式工作。在報(bào)文標(biāo)識(shí)符上，各節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級。采用非破壞總線仲裁技術(shù)。只需通過對報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)方式傳送接收數(shù)據(jù)。直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)零10km(速率5kbps以下)；通信速率最高可達(dá)到1Mbps(此時(shí)通訊距離最長為40m)。CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)。報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受到干擾的概率低。每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，具有極好的檢錯(cuò)效果。通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，使得其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。它具有較高的性能價(jià)格比。CAN協(xié)議是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)模式基礎(chǔ)上的，由于CAN的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，又是范圍較小的局域網(wǎng)，因此不需要其他中間層，應(yīng)用層數(shù)據(jù)直接取自數(shù)據(jù)鏈路層或直接向鏈路層寫數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)層次少，有利于系統(tǒng)中實(shí)時(shí)控制信號(hào)的傳送。

本實(shí)驗(yàn)通信網(wǎng)絡(luò)通過CAN總線傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)的CAN-RS-232通信適配卡，可掛接在通信網(wǎng)絡(luò)的任一節(jié)點(diǎn)位置，對于通過RS-232總線連入CAN網(wǎng)絡(luò)的PC，可用WINDOWS自帶的超級終端或者我們用VC編寫的串口操作程序來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)，及一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信，實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議里的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程請求幀的傳送所謂遠(yuǎn)程請求幀就是接收端通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀啟動(dòng)其資源節(jié)點(diǎn)傳送它們各自的數(shù)據(jù)，板卡還可實(shí)現(xiàn)10位精度的A/D轉(zhuǎn)換并將得到的數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳給上位機(jī)CAN總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

1、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

板卡電路主要由四部分組成：PIC16F877A單片機(jī)、獨(dú)立CAN通信控制器SJA1000T、CAN總線驅(qū)動(dòng)器TJA1050和RS-232總線驅(qū)動(dòng)器MAX232。主要實(shí)現(xiàn)基于CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)通過RS-232把Pc作為終端接人CAN總線以及采集模擬信號(hào)并通過CAN總線上傳給上位機(jī)。SJA1000T是集成的獨(dú)立CAN控制器(與PHILIPS早期的CAN控制器PCA82C200完全兼容)，它負(fù)責(zé)完成CAN總線通信協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。對于微處理器來說，它相當(dāng)于一個(gè)存儲(chǔ)器I/O 映象設(shè)備。由于CAN控制器和微控制器內(nèi)部都有自己的時(shí)鐘產(chǎn)生電路，為了讓兩者之間協(xié)調(diào)，外加了10M 晶振在微控制器上作為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘，并將微控制器的時(shí)鐘輸出作為CAN控制器的時(shí)鐘輸入；SJA1000T的中斷輸出信號(hào)/INT接到單片機(jī)的INT中斷，但也可通過查詢方式實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與CAN控制器的通信；為了使CAN控制器和微控制器能同時(shí)可靠的復(fù)位，外加了手動(dòng)復(fù)位電路。

PIC16F877A單片機(jī)是目前使用非常廣泛的中端單片機(jī)，在本系統(tǒng)中，它主要是用于控制CAN控制器SJA1000T，對SJA1000T進(jìn)行初始化和讀/寫操作以及將從CAN總線或從RS-232總線傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處 后再轉(zhuǎn)傳到RS-232總線或CAN總線上，即對兩個(gè)總線上的數(shù)據(jù)流按照協(xié)議進(jìn)行處理和傳送。下位機(jī)的單片機(jī)主要是采集模擬信號(hào)并實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，并通過CAN總線上傳給上位機(jī)。

1.1 CAN通信模塊

SJA1000T的AD0～AD7是地址、數(shù)據(jù)復(fù)合總線，與PIC16F877A的PORTD端口相連，即單片機(jī)通過SJA1000T的這個(gè)并口來傳遞數(shù)據(jù)和地址；需要注意的是51系列的單片機(jī)有專門的讀、寫和地址鎖存的引腳，而PIC16F877A并沒有，所以我們只能用其他端口來模擬控制，在本系統(tǒng)中SJA1000T的ALE、CS、RD 、WR分別與單片機(jī)的RC0-RC3引腳相連，即用RC0-RC3來控制SJA1000T的地址鎖存、片選和讀/寫操作。

TJA1050是CAN 協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，主要應(yīng)用在波特率范圍從60kbps到1Mbps。TJA1050可以為總線提供差動(dòng)的發(fā)送功能，為CAN控制器提供差動(dòng)的接收功能，而且完全符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)。CAN控制器SJA1000T通過一條串行數(shù)據(jù)輸出線TxD 和一條串行數(shù)據(jù)輸人線RxD 連接到CAN總線驅(qū)動(dòng)器TJA1050，而TJA1050則通過兩個(gè)有差動(dòng)接收和發(fā)送能力的總線終端連接到CAN總線?？偩€終端為120歐的電阻，其作用為匹配總線阻抗，提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性。CAN通信模塊的原理圖見圖2。

1.2 RS-232模塊

RS-232標(biāo)準(zhǔn)是美國EIA電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)，廣泛用于汁算機(jī)與終端或外設(shè)之間的近端連接 完整的RS-232接口有25根線，一般在計(jì)算機(jī)串口采用簡化的9芯插頭座：工作時(shí)，應(yīng)保證電平在±(5-15)V之問。因此為了能夠同計(jì)算機(jī)或控制器的TTL器件連接，必須在RS-232與TTL電路之問進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。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電平轉(zhuǎn)換。RS-232模塊的原理圖見圖3。

1.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

PIC16F877A單片機(jī)自帶有8路模擬通道，轉(zhuǎn)換精度為10位。本適配卡選擇RA0為模擬通道。板卡將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳給上位機(jī)。

1.4 數(shù)據(jù)流

CAN-RS-232的數(shù)據(jù)流圖見圖4。

2、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為兩大塊：板卡底層軟件設(shè)計(jì)和PC機(jī)上串口操作軟件設(shè)計(jì)。板卡底層軟件設(shè)計(jì)主要是對PIC16F877A編程，用于把從PC機(jī)通過串口輸人給單片機(jī)的數(shù)據(jù)按照CAN協(xié)議幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行打包處理，并操作CAN控制器把數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線；把從CAN總線上輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)輸出給PC機(jī)：PC機(jī)上串口操作軟件設(shè)計(jì)主要是對串口的操作和通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)。

2.1單片機(jī)編程

開發(fā)工具使用的是MPLAB集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，它是綜合的編輯器、項(xiàng)目管理器和設(shè)計(jì)平臺(tái)，適用于使用Microchip的PICmicro系列單片機(jī)進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)的應(yīng)用開發(fā)；編程語言用的是C語言，將HITECH 公司的PICC編譯器直接掛接在MPLAB-IDE集成開發(fā)平臺(tái)下，實(shí)現(xiàn)一體化的編譯連接和原代碼調(diào)試。

CAN控制器SJA1000T片內(nèi)有模式寄存器MOD、命令寄存器CMR、狀態(tài)寄存器SR、中斷寄存器IR、中斷使能寄存器IER、接收緩沖器RXB、發(fā)送緩沖器TXB、仲裁丟失捕捉寄存器ALC、錯(cuò)誤代碼捕捉寄存器ECC、錯(cuò)誤報(bào)警限額寄存器EWLR、錯(cuò)誤計(jì)數(shù)寄存器ERR、驗(yàn)收代碼寄存器ACR、驗(yàn)收屏蔽寄存器AMR、總線時(shí)序寄存器BTR、輸出控制寄存器OCR和時(shí)鐘分頻寄存器CDR等，單片機(jī)就是通過讀寫這些寄存器來實(shí)現(xiàn)對SJA1000T的控制，從而實(shí)現(xiàn)CAN報(bào)文的接收和發(fā)送。文后給出CAN控制器SJA1000T初始化和接收子程序的流程圖。下面給出CAN初始化程序，其中WRCAN是自定義的一段對SJAIO00T寫數(shù)據(jù)的子程序。

 
void CANINI()
{
WRCAN(MODE，0x09)； //進(jìn)入復(fù)位模式，選擇單向?yàn)V波方式，對SJA1000T進(jìn)行初始化
WRCAN(CDR，0x88)； //選擇PeliCAN模式，關(guān)閉CLKOUT
WRCAN(IER，0x0D)； //中斷允許寄存器
//以下根據(jù)需要對屏蔽寄存器賦初值，將位設(shè)為1表示DON'T CARE，設(shè)為0表示CARE
WRCAN(AMR0，0x00)；
WRCAN(AMR1，0x00)；
WRCAN(AMR2，0xFF)；
WRCAN(AMR3.0xFF)； //因?yàn)锳MR3的最低兩位是不用的，必須置“1”
//以下根據(jù)情況為驗(yàn)收代碼寄存器賦初值
WRCAN(ACR0，0x00)；
WRCAN(ACR1，0x00)；
WRCAN(ACR2，0xFF)；
WRCAN(ACR3，0xFF)； //ACR，AMR各位設(shè)為1，是為了允許任何數(shù)據(jù)通過濾波器的驗(yàn)收
WRCAN(BTR0，0x03)； //總線定時(shí)寄存器
WRCAN(BTR1，0xFF)； //設(shè)置波特率為50kbps
B=fXT/[2*BRP*(1+Tseg1+Tseg2)]
WRCAN(OCR，0xAA)； //輸出控制寄存器
WRCAN(RBSA，0x00)； //接收緩存寄存器FIFO的起始地址為0
WRCAN(TXERR，0x00)； //清除發(fā)送錯(cuò)誤寄存器
RDCAN(ECC)； //清除ECC，因?yàn)镋CC是只讀不能寫的，當(dāng)被讀出時(shí)，其相應(yīng)位即被清除
WRCAN(MODE，0x08)； //設(shè)為單濾波方式，并返回工作狀態(tài)
return；
}
void WRCAN(address，data) //向SJA1000T的寄存器寫入數(shù)據(jù)
unsigned char address；
unsigned char data；
{
PORTC=0x0D； //RC3=1；RC2=1；Rc1=0；RC0=1；即ALE置1，則鎖存地址，其余端口參考時(shí)序圖
PORTD=address；
PORTC=0x04； //RC0=0；RC1=0；RC2=1；RC3=0；即ALE置0，則傳輸據(jù).進(jìn)入寫方式，其余端口參考時(shí)序圖
PORTD=data； //將數(shù)據(jù)寫入端口D
PORTC=0x0E； //RC3=1；RC2=1；RC1=1；RC0=0；各端口還原
}