基于ATmega16單片機(jī)的CAN總線(xiàn)轉(zhuǎn)RS232設(shè)計(jì)

CAN(Controller Area Network)總線(xiàn)是德國(guó)BOSCH公司為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多控制與測(cè)試之間的數(shù)據(jù)交換開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，是一種多主方式的串行通信總線(xiàn)。CAN總線(xiàn)是一種開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的控制系統(tǒng)局域網(wǎng)，具有通信速率高、傳輸時(shí)間短、傳輸距離遠(yuǎn)、糾錯(cuò)能力強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單、擴(kuò)展能力強(qiáng)以及性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一。但是目前PC機(jī)普遍配置RS232串行通信接口，沒(méi)有CAN總線(xiàn)接口。實(shí)際中很多設(shè)備帶有RS-232接口沒(méi)有CAN總線(xiàn)接口，為了方便具有RS-232接口的設(shè)備與CAN總線(xiàn)的數(shù)據(jù)通信，本文完成了基于單片機(jī)ATMega16控制的CAN總線(xiàn)與RS-232轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)與RS-232接口設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。

一、簡(jiǎn)述CAN總線(xiàn)與RS232協(xié)議

CAN作為一種多主方式的串行通訊總線(xiàn)，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(xiàn)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)5kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。表1為CAN總線(xiàn)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。

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(xiàn)都是一種比較優(yōu)秀的串行總線(xiàn)。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(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互連。

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

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±(3V～15V)之間。而CAN信號(hào)則使用差分電壓傳送，兩條信號(hào)線(xiàn)稱(chēng)為“CAN_H”和“CAM_L”，靜態(tài)時(shí)均為2.5V左右;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，一位停止位。而CAN的數(shù)據(jù)幀格式為：幀信息+ID+數(shù)據(jù)。

二、CAN總線(xiàn)轉(zhuǎn)RS232總體設(shè)計(jì)

CAN總線(xiàn)轉(zhuǎn)2 3 2 的接口硬件電路， 主要選用MAX232、ATMega16、SJAl000和MCP2551設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

其原理框圖如圖1所示。

三、轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制器設(shè)計(jì)

主控制器選擇ATMEL公司的ATMega16作為主處理器，該芯片是一個(gè)低電壓，高性能單片機(jī)，片內(nèi)含可反復(fù)擦寫(xiě)的EEPROM和隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)。

ATMega16有44個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向I/0端口，同時(shí)內(nèi)含3個(gè)外中斷口，2個(gè)8位和1個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，1個(gè)全雙工串行通信口，ATMega16可按常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可在線(xiàn)編程。ATMega16的4腳接復(fù)位電路，低電平有效;9，10腳接MAX232的數(shù)據(jù)接收/發(fā)送端;PD口腳接SJAl000的控制端端;7，8腳接晶振電路;PB口接SJAl000的復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)。

3.2 MAx232電路設(shè)計(jì)

選擇MAX232芯片作為RS232與CAN總線(xiàn)的電平轉(zhuǎn)換器。MAX232是一種電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器，提供TTL與RS232電平的轉(zhuǎn)換。其13、14腳接到232接口的2、3針;11、12腳接到單片機(jī)的接收、發(fā)送端。

3.3 CAN控制器電路設(shè)計(jì)

選用Phi l ip公司的SJAl000芯片實(shí)現(xiàn)CAN控制器和CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器。SJAl000控制器與單片機(jī)硬件連接電路設(shè)計(jì)，如圖2、3所示。

為使SJAl000正確復(fù)位，CAN控制器必須連接一個(gè)穩(wěn)定的振蕩器時(shí)鐘，這里選擇16MHz的晶振。

3.4收發(fā)器電路設(shè)計(jì)

收發(fā)器是協(xié)議控制器和物理傳輸線(xiàn)路之間的接口，這里由MCP2551實(shí)現(xiàn)。協(xié)議控制器通過(guò)串行數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)(Tx)和串行數(shù)據(jù)輸入線(xiàn)(RX)連接到收發(fā)器，收發(fā)器通過(guò)有差動(dòng)發(fā)送和接收功能的兩個(gè)總線(xiàn)終端CANH和CANI。連接到總線(xiàn)電纜，實(shí)現(xiàn)CAN總線(xiàn)的數(shù)據(jù)通信。如圖4所示。

四、主程序設(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CAN查詢(xún)方式和串口發(fā)送可提高工作效率。其主程序流程圖如圖5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。

串口波特率采用9600 bit/s，系統(tǒng)上電初始化后CAN控制器查詢(xún)發(fā)送標(biāo)志位，一旦發(fā)送緩沖區(qū)空就發(fā)送數(shù)據(jù)。同時(shí)也檢測(cè)狀態(tài)寄存器的接收標(biāo)志位，當(dāng)有數(shù)據(jù)接收時(shí)讀取接收緩沖區(qū)，然后判斷接收數(shù)據(jù)幀，當(dāng)接收幀為錯(cuò)誤幀就丟掉數(shù)據(jù)并將CAN控制器復(fù)位，如果數(shù)據(jù)幀是正確幀就將該幀打包成符合RS232協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)，通過(guò)串口發(fā)送出去。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文采用ATMega16、SJAl000、MCP2551和MAX232，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了CAN總線(xiàn)轉(zhuǎn)232的接口，完成了兩種協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了CAN總線(xiàn)與RS232通信接口設(shè)備之間的通信。測(cè)試和實(shí)際使用表明該接口運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。