| 1 引言 工業(yè)設備通信通常涉及到很多硬件和軟件產(chǎn)品以及用于連通標準計算機平臺（個人計算機或工作站）和工業(yè)自動化應用設備的協(xié)議,而且所使用設備和協(xié)議的種類繁多。因此,大部分自動化應用設備都希望執(zhí)行簡單的串行命令,并希望這些命令同個人計算機或者附加的串行端口板上的標準串行端口兼容。RS-232是目前 PC機與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。由于RS-232的發(fā)送端與接收端之間有公共信號地,所以它不能使用雙端信號,否則,共模噪聲會耦合到信號系統(tǒng)中。RS-232標準規(guī)定,其最大距離僅為15m,信號傳輸速率最高為 20kbit/s。 CAN,全稱為“Controller Area Network”,即控制器局域網(wǎng),是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一,一個由CAN總線構成的單一網(wǎng)絡受到網(wǎng)絡硬件電氣特性的限制。CAN作為一種多主方式的串行通訊總線,其基本設計規(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。當信號傳輸距離達10km時, CAN仍可提供高達50kbit/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關系。 表1 CAN總線系統(tǒng)任意兩節(jié)鼎足之勢之間的最大距離
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由此可見,無論從實時性、適應性、靈活性,還是可靠性上來看,CAN總線都是一種比RS-232更為優(yōu)秀的串行總線。當兩臺串口設備的相距較遠,不能直接用RS-232把它們連接起來時,就可以把RS-232轉換為CAN,通過CAN總線來實現(xiàn)串口設備的網(wǎng)絡互連。
但是,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標準電平采用負邏輯,規(guī)定+3V～+15V之間的任意電平為邏輯“0”電平,-3V～-15V之間的任意電平為邏輯“1”電平。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,此時的狀態(tài)表示為邏輯“1”,也可以叫做“隱性”;用 CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”,稱為“顯性”。顯性時,通常電壓值為：CAN_H=3.5V,CAN_L=1.5V; 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（此位為發(fā)送和接收的地址/數(shù)據(jù)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)（可分為標準幀和擴展幀兩種格式）。  因此,設計時就需要有一個微控制器來實現(xiàn)電平和幀格式等的轉換。其轉換方式如圖1所示。 2 RS-232到CAN轉換的硬件設計 在設計RS-232到CAN的轉換裝置時,用單片機AT89C52作為微處理器;用SJA1000作為CAN微控制器,SJA1000中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能,可被動局面對通信數(shù)據(jù)的幀處理 ;AT82C250作為CAN控制器和物理總線之間的接口,用于提供總線的差動發(fā)送能力和CAN控制器的差動接收能力,通過AT82C250的引腳3可選擇三種不同的工作方式（高速、斜率控制和待機）。其中引腳3接地時為高速方式;高速光隔用 6N137實現(xiàn),其作用是防止串入信號干擾;MAX232用來完成232電平到微控制器接口芯片TTL電平的轉換。具體的硬件接口電路參見SJA1000 的有關資源,這里不再多做說明。但有以下幾點需要注意。 （1）CAN總線兩端接有一個120Ω的電阻,其作用是匹配總線阻抗,提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠行。但實際上只需保證CAN網(wǎng)絡中“CAN_H”和“CAN_L”之間的跨接電阻為60Ω即可。 （2）SJA1000的20引腳RX1在不使用時可接地（具體原因見軟件設計）,配合CDR.6的置位可使總線長度大大增加。 （3）引腳TX0、TX1的接法決定了串行輸出的電平。具體關系可參考輸出控制寄存器OCR的設置。 （4）AT82C250的RS引腳與地間接有一個斜率電阻。電阻大小可根據(jù)總線通信速度作適當調(diào)整,一般在16kΩ～140kΩ之間。 （5）MAX232外圍需要四個電解電容C1、C2、C3、C4,這些電容也是內(nèi)部電源轉換所需電容,其取值均為1μF/25V,宜選用鉭電容并且位置應用量靠近芯片,電源VCC和地之間要接一個0.1μF的去耦電容。
3 RS-232到CAN轉換的軟件設計
在微處理控制下,RS-232和CAN進行數(shù)據(jù)交換時,采用串口接收和CAN中斷方式可提高工作效率。其主程序流程圖如圖2所示。SJA1000的初始化在復位模式下才可以進行,主要包括工作方式的設置、時鐘分頻和驗收濾波寄存器的設置、波特率參數(shù)的設置以及中斷允許寄存器的設置等。 數(shù)據(jù)能否準確傳遞還取決于波特率和流量控制,這也是軟件設計時不可忽略的地方。因此接下來主要介紹CAN波特率的設置、串口波特率的自動檢測、串口數(shù)據(jù)流量控制。  3．1 CAN濾波率的設置 CAN協(xié)議中的要素之一是波特率。用戶可以設置位周期中的位采樣點位置和采樣次數(shù),以使用戶可以自由地優(yōu)化應用網(wǎng)絡性能,但在優(yōu)化過程中,要注意位定時參數(shù)基準參考振蕩器的容差和系統(tǒng)中不同信號傳播延遲之間的關系。 系統(tǒng)的位速率fBil表示每單位時間傳輸數(shù)據(jù)位的量,即波特率fBit=1/tBit。額定的位定時由3個互不重疊的段SYNC_SEG、TSEG1和 TSEG2組成,這3個時間段分別是TSYNC_SEG、TSEG1和TSEG2組成,這3個時間段分別是tSYNC_SEG、tTSEG1和 tTSEG2。所以,額定位周期tBit是3個時間段的和。 tBit=tSYNC_SEG+tTSEG1+tTSEG2 位周期中這些段都用整數(shù)個基本時間單位來表示。該時間單位叫時間份額TQ,時間份額的持續(xù)時間是CAN系統(tǒng)時鐘的一個周期tS |
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