基于ATmega16單片機的CAN總線轉(zhuǎn)RS232設(shè)計

CAN(Controller Area Network)總線是德國BOSCH公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多控制與測試之間的數(shù)據(jù)交換開發(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。CAN總線是一種開放式、數(shù)字化、多點通信的控制系統(tǒng)局域網(wǎng)，具有通信速率高、傳輸時間短、傳輸距離遠(yuǎn)、糾錯能力強、控制簡單、擴(kuò)展能力強以及性價比高等特點，是目前國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。但是目前PC機普遍配置RS232串行通信接口，沒有CAN總線接口。實際中很多設(shè)備帶有RS-232接口沒有CAN總線接口，為了方便具有RS-232接口的設(shè)備與CAN總線的數(shù)據(jù)通信，本文完成了基于單片機ATMega16控制的CAN總線與RS-232轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計和軟件設(shè)計，實現(xiàn)了CAN總線數(shù)據(jù)與RS-232接口設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。

一、簡述CAN總線與RS232協(xié)議

CAN作為一種多主方式的串行通訊總線，其基本設(shè)計規(guī)范要求高位速率和較高的抗電磁干擾性能，而且要能夠檢測出通訊總線上產(chǎn)生的任何錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達(dá)10km時，CAN仍可提供高達(dá)5kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。表1為CAN總線上任意兩個節(jié)點之間最大傳輸距離

與其位速率之間的對應(yīng)關(guān)系。

由此可見，無論從實時性、適應(yīng)性、靈活性，還是可靠性上來看，CAN總線都是一種比較優(yōu)秀的串行總線。當(dāng)兩臺串口設(shè)備的相距較遠(yuǎn)，不能直接用RS-232把它們連接起來時，就可以把RS-232轉(zhuǎn)換為CAN，通過CAN總線來實現(xiàn)串口設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互連。

表1 CAN總線系統(tǒng)任意兩節(jié)鼎足之勢之間的最大距離

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信號則使用差分電壓傳送，兩條信號線稱為“CAN_H”和“CAM_L”，靜態(tài)時均為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總線轉(zhuǎn)RS232總體設(shè)計

CAN總線轉(zhuǎn)2 3 2 的接口硬件電路， 主要選用MAX232、ATMega16、SJAl000和MCP2551設(shè)計實現(xiàn)。

其原理框圖如圖1所示。

三、轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計

3.1 主控制器設(shè)計

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

ATMega16有44個引腳，32個外部雙向I/0端口，同時內(nèi)含3個外中斷口，2個8位和1個16位可編程定時計數(shù)器，1個全雙工串行通信口，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。

3.2 MAx232電路設(shè)計

選擇MAX232芯片作為RS232與CAN總線的電平轉(zhuǎn)換器。MAX232是一種電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動器，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腳接到單片機的接收、發(fā)送端。

3.3 CAN控制器電路設(shè)計

選用Phi l ip公司的SJAl000芯片實現(xiàn)CAN控制器和CAN總線驅(qū)動器。SJAl000控制器與單片機硬件連接電路設(shè)計，如圖2、3所示。

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

3.4收發(fā)器電路設(shè)計

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

四、主程序設(shè)計

在微處理控制下，RS-232和CAN進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，采用CAN查詢方式和串口發(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、時鐘分頻和驗收濾波寄存器的設(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)計時不可忽略的地方。

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)。同時也檢測狀態(tài)寄存器的接收標(biāo)志位，當(dāng)有數(shù)據(jù)接收時讀取接收緩沖區(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)，通過串口發(fā)送出去。

五、結(jié)束語

本文采用ATMega16、SJAl000、MCP2551和MAX232，設(shè)計開發(fā)了CAN總線轉(zhuǎn)232的接口，完成了兩種協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了CAN總線與RS232通信接口設(shè)備之間的通信。測試和實際使用表明該接口運行穩(wěn)定、可靠，達(dá)到了設(shè)計要求。