RS232通信网络与CAN总线通信网络互联设计

2010-02-06张建喜

电子技术应用 2010年9期

王强，张建喜

(1.许昌职业技术学院信息工程系，河南许昌 461000；2.兰州交通大学，甘肃兰州 730070）

目前工业设备之间的通信很多采用RS232接口，但由于RS232通信距离短 (根据 EAT/TAI-232标准,仅为15 m)、接口易损，而且只能进行点到点通信,不能直接组成多点通信网络。为了延长RS232的通信距离，并将RS232节点组成通信网络,目前广泛使用RS232/RS485信号转换器。但是，由于RS485通信本身的局限性，在实际应用中存在许多不足：总线效率低、系统的实时性差、通信的可靠性低、网络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等。

基于CAN通信的优越性，本文介绍一种可以将RS232通信网络转换成CAN通信网络的方法，以更好地解决用户建立远程通信网络的问题。

1 CAN总线简介

1.1 CAN总线概述

控制器局域网络 CAN(Controller Area Network)，属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,最初由德国Bosch公司于20世纪80年代用于汽车内部测试和控制仪器之间的数据通信[1]。其总线规范已被ISO国际标准组织定为国际标准，CAN协议经ISO标准化后有ISO11898标准和ISO11519标准两种，这两种标准对于数据链路层定义是相同的,但物理层不同。ISO11898是通信速度为125 kb/s-1Mb/s的CAN高速通信标准;ISO11519是通信速度为125 kb/s以下的CAN低速通信标准。CAN协议建立在国际标准组织的开放系统互联模型基础上,但其模型结构只有三层:ISO底层的物理层、数据链路层和应用层；其信号传输介质可采用双绞线、同轴电缆和光纤等；通信最大距离可达10 km；最大通信波特率可达1 Mb/s，可挂设备最多达110个。CAN总线具有的特点，越来越广泛地被应用于各种工业现场,并被公认为是最有前途的现场总线之一。

1.2 CAN总线工作机制

1.2.1 CAN的报文类型

CAN系统中节点之间以报文的形式进行通信，其报文有五种类型：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧空间[2]。每种帧都有相应固定的格式，其中数据帧和远程帧与应用密切相关,其他类型帧由CAN控制器根据具体的情况自动传输。帧种类及用途如表1所示。

表1 帧的类型及用途

1.2.2 CAN节点的仲裁机制

只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文（多主控制）。最先访问总线的节点可获得总线控制权。若多个节点同时开始传送报文，就会有总线访问冲突，可使用识别符的位形式仲裁解决这个冲突。仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个节点继续发送。若发送的是隐性电平而监控到的是显性电平，则这个节点失去了仲裁，必须退出发送状态。ID越小优先权越高，发送高优先级 ID消息的节点可获得发送权。

1.2.3 CAN节点的报文滤波机制

CAN控制器监听接收总线上的所有报文，只有通过CAN控制器的报文筛选器筛选的报文才能进入CAN的报文接收缓冲区，为该节点所接收并传送给应用程序。

1.2.4 CAN节点状态

CAN总线上每个节点都处于 “错误主动”、“错误被动”和“总线关闭”三种状态之一。区分这几种状态的主要依据是发送错误计数器和接收错误计数器的值，并且这三种状态可以在一定条件下相互转化。

处于错误主动状态的节点，当发现总线上有错误传输时，将向总线上发“主动出错帧”；处于错误被动状态的节点，当发现总线上有错误传输时，将向总线上发“被动出错帧”；当节点进入总线脱离状态时，将完全退出总线操作。

2 硬件电路设计

2.1 硬件设计原理

RS232串口通信与CAN通信是两种不同的传输方式，无论是数据的传输方式还是逻辑电平的电压表示都是不同的，本设计主要完成RS232接口与CAN总线协议之间的转换，以及数据的双向传输。设计原理如图1所示。

RS232接口端信号经过RS232电平转换成TTL电平，直接输入到微控制器的通用同步/异步串行接口(USART)，微控制器控制CAN控制器读出有效的数据经光电隔离的CAN收发器发送到CAN总线上。

本设计采用的RS232电平转换器为MAX232，微控制器为 ATmega128，CAN总线控制器采用 SJA1000，CAN总线收发器采用高速的具有收发和隔离功能的CTM1050控制器。ATmega128是整个模块的控制中心，控制着RS232接口和CAN总线的通信。器件连接示意图如图2所示。

RS232接口的发送数据端和接收数据端经MAX232电平转换分别与Atmega128串口、接收数据端PE0/RXD0、发送数据端PE1/TXD0相连；SJA1000的 AD0～AD7连接到Atmega128的PA口，INT与Atmega128的 INT0相连，ALE与Atmega128的PG2/ALE相连，读写端RD、WR分别连接 Atmega128的 PG1/RD、PG0/WR，CS连接到 Atmega128的 PC6，Atmega128的时钟取自 SJA1000的振荡器，即 SJA1000的 CLKOUT连接到 Atmega128的 XTAL1；收发器 CTM1050的 RX0、TX0分别连接 SJA1000T的RX0、TX0,CANH、CANL 连接到CAN总线上。

图1 硬件设计原理图

2.2 主要芯片

RS232用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接,必须在RS232接口与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。MAX232芯片可完成TTL↔RS232电平的双向转换。

ATmega128单片机是基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器,为AVR单片机系列中的高性能单片机。ATmega128单片机内部带有128 KB的系统内可编程Flash程序存储器，具有同时读写能力；4 KB的E2PROM；4 KB的 SRAM；53个通用 I/O端口线；32个通用工作寄存器；4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器(T/C)；2个 USART；串行外围设备接口(SPI)；与IEEE1149.1规范兼容的JTAG测试接口，可以用于片上调试；6种省电模式；53个可编程I/O端13线；由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，数据吞吐率高达1 MIPS/MHz等。

SJA1000是一种独立的CAN控制器，主要用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制，具有新的PeliCAN操作模式，这种模式兼容CAN2.0A和CAN2.0B两种技术规范[3]。SJA1000可完成CAN总线的物理层和数据链路层的所有功能,由CAN核心模块、发送缓冲区、接收FIFO、验收滤波器和接口管理逻辑组成[4]。

CTM1050是一款带隔离的高速CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收、发器件,其主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平并且具有直流2 500 V的隔离功能及ESD保护作用。该芯片符合ISO 11898标准，可与其他遵从ISO 11898标准的CAN收发器互连。