基于CAN總線通信協(xié)議的設計與實現(xiàn)

1、基于CAN總線的RSRS-232轉換裝置   摘要：闡述了CAN總線在232串口設備遠程通信或自組網(wǎng)絡中的應用，介紹了CAN到RS-232轉換裝置的軟硬件設計方法。重點對軟件設計中CAN波特率的設置、串口波特率的自動檢測以及數(shù)據(jù)流控制等作為詳細的敘述。     關鍵詞：CAN 波特率 流控制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

2、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

3、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位速率/kbps1000500250125100最大距離/m40130270530620位速率/kbps5020105最大距離/m13003300670010000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

4、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

5、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AT82C

6、250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120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60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

7、）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16k140k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1F/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0.1F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

8、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。31 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

9、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tSCL，可從振蕩器時鐘周期tCLK取得。通過編程預分頻因數(shù)（波特率預設值BRP）可以調(diào)整CAN系統(tǒng)時鐘。具體如下：tSCL=BRP×2tCLK=2BPR/fCLK對CAN位定時計算的另一個很

10、重要的時間段是同步跳轉寬度（SJW），持續(xù)時間是tSJW。SJW段并不是位周期的一段，只是定義了在重同步事件中被增長或縮短的位周期的最大TQ數(shù)量。此外，CAN協(xié)議還允許用戶指定位采樣模式（SAM），分別是單次采樣和三次采樣模式（在3個采樣結果中選出1個）。在單次采樣模式中，采樣點在TESG1段的末端。而三次采樣模式比單次采樣多取兩個采樣點，它們在TSEG1段末端的前面，之間相差一個TQ。上面所提到的BPR、SJW、SAM、TESG1、TESG2都可由用戶通過CAN控制器的內(nèi)裝中寄存器BTR0和BTR1來定義。具體如圖3所示。設置好BTR0和BTR1后，實際傳輸?shù)牟ㄌ芈史秶鸀椋鹤畲?1/（tBi

11、t-tSJW），最小=1/（tBit+tSJW）3.2 串口波特率檢測當串口設備是主機時，如需檢測此時轉換裝置的串口波特率，首先可對主機的接收波特率（以9600波特為例）進行設定，并在終端發(fā)送一個特定的字符（以回車符為例），這樣，主機根據(jù)接收到的字符信息就可以確定轉換裝置的通信波特率。回車符的ASCII值是0DH，在不同波特率下接收到的值如表2所列。表2 不同波特率下接收的字節(jié)波特率（bit/s）接收字節(jié)（十六進制）波特率（bit/s）接收字節(jié)（十六進制）1200804800E61800F096000D24007819200F*33 串口流控制此處講到的“流“指的是數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)在兩個串口之間的

12、傳輸時，常常會出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。由于單片機緩沖區(qū)有限，如接收數(shù)據(jù)時緩沖區(qū)已滿，那么此時繼續(xù)發(fā)送來的數(shù)據(jù)就會丟失。而流控制能有效地解決該問題，當接收端數(shù)據(jù)處理不過來時，流控制系統(tǒng)就會發(fā)出“不再接收”的信號，而使發(fā)送端停止發(fā)送，直到收到“可以繼續(xù)發(fā)送”的信號再發(fā)送數(shù)據(jù)。因此流控制可以控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M程，防止數(shù)據(jù)丟失。常用的兩種流控制是硬件流控制（包括RTS/CTS、DTR/CTS等）和軟件流控制XON/XOFF（繼續(xù)/停止），下面僅就硬件流控制RTS/CTS加以說明。采用硬件進行流控制時，串口終端RTS、CTS接到單片機的I/O口，通過置I/O口為1或0來接收和發(fā)出起停信號。數(shù)據(jù)終端設備（如計算

13、機）使用RTS來起始單片機發(fā)出的數(shù)據(jù)流，而單片機則用CTS來起動和暫停來自計算機的數(shù)據(jù)流。實現(xiàn)這種硬件握手方式時，在編程時根據(jù)接收端緩沖區(qū)的大小設置一個高位標志和一個低位標志，當緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)量達到高位時，就在接收端將CTS線置低（送邏輯0），而當發(fā)送端的程序檢測到CTS為低后，就停止發(fā)送數(shù)據(jù)，直到接收端緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)量低于低位而將CTS置高為止。RTS則用來標明接收設備有沒有準確好接收數(shù)據(jù)。    34 CAN接收子程序PeliCAN格式既可以發(fā)送標準幀也可以送擴展幀，利用時鐘分頻寄存器中的CDR.7可以調(diào)協(xié)CAN模式（0-BasicCAN,1-PeliCAN），接

14、收CAN數(shù)據(jù)時，可根據(jù)幀信息中的FF位來判斷是標準幀還是擴展幀，并且RTR位來判斷是遠程幀還是數(shù)據(jù)幀。以下是CAN接收子程序：；/；/CAN數(shù)據(jù)接收/統(tǒng)一成2個字節(jié)ID的幀格式/；/RECAN：MOV R0，#C_RE ；單片機內(nèi)緩沖區(qū)起始地址MOV DPTR，#RXBUF ；讀取并保存接收緩沖區(qū)的內(nèi)容MOVX A，DPTR ；讀取CAN緩沖區(qū)的2號字節(jié)MOV R0,A ;保存JB ACC.7,EFF_RE ;FF位，0-SFF，1-EFFMOV R2，#0SJMP SFF_RE ;ID數(shù)目不同，截取“數(shù)據(jù)字節(jié)”的位置不同EFF_RE:MOV R2,#2SFF_RE:MOV R2,#2SFF_

15、RE:JB ACC.6,EXIT_RECAN ;RTR位判斷，1-遠程幀，則跳出ANL A，#0FHMOV R3，A ；這時截取中間4位是數(shù)據(jù)長度MOV C_NUM,A ;R3,R5中存放接收幀的長度RDATA0：INC DPTR ；2個字節(jié)IDINC R0MOVX A，DPTRMOV R0,AINC DPTRMOVX A,R0,AINC DPTRMOVX A,DPTRMOV R0,AMOV A,R2 ;如果是EFF則跳過兩個字節(jié)IDJZ DRATA1INC DPTRINC DPTRDATA1： ；數(shù)據(jù)字節(jié)INC DPTRINC R0MOVX A，DPTRMOV R0,ADJNZ R3,RDATA1EX