CAN總線與RS485總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork，CAN）的簡(jiǎn)稱，是由以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國(guó)BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。

rs-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測(cè)低至200mv的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。有些rs-485收發(fā)器修改輸入阻抗以便允許將多達(dá)8倍以上的節(jié)點(diǎn)數(shù)連接到相同總線。rs-485最常見的應(yīng)用是在工業(yè)環(huán)境下可編程邏輯控制器內(nèi)部之間的通信。

本文為大家介紹CAN總線與RS485總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。

功能介紹

本協(xié)議轉(zhuǎn)換器完成RS485與CAN協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸，并能通過RS232接口連接到上位機(jī)，通過上位機(jī)的人機(jī)交互軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)RS485網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參數(shù)及CAN總線驗(yàn)收濾波器等參數(shù)的動(dòng)態(tài)配置，以達(dá)到可隨時(shí)增減網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及實(shí)時(shí)、方便地轉(zhuǎn)換不同類型數(shù)據(jù)的目的。

硬件設(shè)計(jì)

本協(xié)議轉(zhuǎn)換器的硬件電路由核心控制模塊、CAN總線接口模塊、RS485接口模塊、RS232接口模塊以及電源模塊組成。其硬件結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

圖1系統(tǒng)硬件框圖

本協(xié)議轉(zhuǎn)換器要實(shí)現(xiàn)的功能并不復(fù)雜，考慮到51單片機(jī)技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，并且價(jià)格低廉，因此在核心模塊部分控制處理器選擇51內(nèi)核帶ISP下載功能的單片機(jī)AT89S51。

主控制器AT89S51是整個(gè)系統(tǒng)的控制部分，控制RS485端與CAN總線端的數(shù)據(jù)通訊，以及通過RS232口對(duì)協(xié)議轉(zhuǎn)換器參數(shù)的配置。核心控制模塊部分的電路采用典型的51單片機(jī)電路，限于篇幅不再贅述。

CAN總線接口

本設(shè)計(jì)中CAN總線控制器采用Philips半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的獨(dú)立CAN控制器SJA1000，82C250作為CAN總線的收發(fā)器。

控制器SJA1000作為CAN接口電路中的控制部分與主控制器相連接，引腳AD0~AD7是和89S51的輸出輸入引腳P0.0~P0.7相接;SJA1000的片選信號(hào)腳對(duì)/CS由微處理器的P2.7口控制，P2.7為0的CPU片外存儲(chǔ)器地址可選中SJA1000，CPU通過這些地址可對(duì)SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀寫操作。而對(duì)于控制器的收發(fā)引腳TX0，TX1與RX0，RX1在本系統(tǒng)中

TX0、RX0可和收發(fā)器82C250的TXD、RXD接通。SJA1000中的中斷輸出信號(hào)/INT連接到AT89S51的/INT0端通過中斷方式與單片機(jī)通信。通過SJA1000的MODE引腳可選擇接口模式Intel模式MODE高;Motorola模式MODE低。本設(shè)計(jì)中，使用Intel模式。對(duì)SJA1000的VDD1~VDD3電源輸入腳，外接上驅(qū)動(dòng)+5V電壓;而VSS1~VSS3輸出接地。設(shè)計(jì)中對(duì)SJA1000提供16MHz晶振，AT89S51提供11.0592MHz晶振，它們都有各自獨(dú)立的晶振電路。

82C250的CAN收發(fā)器的TXD和RXD并不是直接與CAN控制器SJA1000的TX和RX相連，而是通過高速光耦6N137后與P82C250相連，這樣可以很好地實(shí)現(xiàn)了總線的電氣隔離。單片機(jī)與CAN接口模塊部分連接電路圖如圖2所示。

圖2CAN總線接口電路圖

RS232和RS485接口

由于協(xié)議轉(zhuǎn)換器同時(shí)需要RS485接口和RS232接口，而AT89S51只有一個(gè)串行UART，為解決這個(gè)問題，在本設(shè)計(jì)中通過軟件控制其中一個(gè)接口實(shí)現(xiàn)通信，也就是模擬串口程序，而RS485接口是用來實(shí)現(xiàn)與CAN總線之間的數(shù)據(jù)通信，對(duì)于串口收發(fā)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性要求較高，所以將與上位機(jī)相連的RS232接口做成模擬串口，來實(shí)現(xiàn)通信。利用單片機(jī)的P15和P16兩個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)通信。

因?yàn)镽S485是差分方式收發(fā)數(shù)據(jù)，所以需要更高的抗干擾能力。RS485接口的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX485E的RO、DI引腳通過光電隔離6N137連接到微處理器的UART串口的RXD、TXD引腳，接收發(fā)送控制信號(hào)由微處理器的P25引腳連接DE/RE引腳來完成。

圖3RS232、RS485接口電路圖

系統(tǒng)供電電路

為了能更好地為CAN總線提供驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力，本設(shè)計(jì)中電源部分采用由24V電壓輸入，經(jīng)開關(guān)電源LM2576轉(zhuǎn)成5V的電壓供電，電源電路如圖4所示。

圖4電源電路圖

軟件設(shè)計(jì)

協(xié)議轉(zhuǎn)換器的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)RS485總線和CAN總線之間的通信，完成兩種總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中采用C語言完成89S51的控制程序，程序由三部分組成：主程序、初始化程序和中斷服務(wù)程序。

主程序

兩種總線之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。本設(shè)計(jì)中CAN總線和RS485兩方的數(shù)據(jù)接收采用中斷方式，在中斷程序中設(shè)置相應(yīng)的接收中斷標(biāo)志，然后在主程序中用查詢的方式根據(jù)不同的標(biāo)志來進(jìn)入到相應(yīng)的中斷程序，CAN控制器接收到數(shù)據(jù)后輸出中斷信號(hào)到主控制器，引起中斷，RS485總線過來的數(shù)據(jù)則是直接利用主控制器的串口中斷。

初始化程序

初始化程序包括對(duì)主控制器AT89S51的初始化

和CAN總線控制器SJA1000的初始化。AT89S51的初始化主要是對(duì)總線片選、串口工作方式，串口波特率、中斷等寄存器進(jìn)行賦初值。SJA1000的初始化主要是對(duì)模式寄存器、時(shí)鐘分頻寄存器、驗(yàn)收濾波寄存器和驗(yàn)收屏蔽寄存器、總線定時(shí)寄存器以及輸出控制器進(jìn)行設(shè)置。在設(shè)置寄存器前，要檢查SJA1000是否已達(dá)到復(fù)位模式，因?yàn)橐玫脚渲?a target="_blank">信息的寄存器僅在復(fù)位模式可寫。

中斷服務(wù)程序

CAN報(bào)文的接收有查詢控制接收和中斷控制接收兩種?？紤]到更好的處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)響應(yīng)控制命令，CAN報(bào)文采用中斷控制的接收方法。主流程在中斷控制的報(bào)文接收之前必須使能SJA1000的接收中斷和全局中斷，接收中斷使能表示（RIE）位于中斷使能控制器（IER）中。首先讀取SJA1000的中斷寄存器，然后判斷是接收中斷、發(fā)送中斷、總線錯(cuò)誤中斷還是數(shù)據(jù)超載中斷。判斷出是哪種中斷后進(jìn)入該中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理。

人機(jī)接口程序

協(xié)議轉(zhuǎn)換器通過RS232接口連接到上位機(jī)，利用人機(jī)接口程序?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)修改報(bào)文濾波、動(dòng)態(tài)配置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參數(shù)以及故障監(jiān)聽的功能。

SJA1000的驗(yàn)收代碼寄存器和驗(yàn)收屏蔽寄存器的值的設(shè)置可以確定CAN總線上接收哪種類型的數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)地修改它們的值可以改變接收的數(shù)據(jù)類型，可以擴(kuò)大協(xié)議轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用環(huán)境。動(dòng)態(tài)配置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參數(shù)

主要是對(duì)RS485通信波特率、RS485端口的數(shù)據(jù)格式以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址等參數(shù)進(jìn)行修改。故障監(jiān)聽程序是利用AT89S51的P10、P11、P12三個(gè)引腳連接LED對(duì)數(shù)據(jù)通信狀態(tài)的監(jiān)聽。