CAN/RS232接口卡的設計及實現方法

控制器局域網(Controller Area Network，CAN)屬于現場總線的范疇，其總線規范已被ISO國際標準化組織制定為國際標準，并被公認為是最有前途的現場總線之一。CAN總線廣泛應用于控制系統中的各檢測和執行機構之間的數據通信。因為CAN總線數據的傳輸和處理都由節點的單片機完成。這樣就使設計者和觀察者沒有辦法以比較直觀的方式掌握總線的運行情況。

現在市場上主要有兩種CAN的接口卡，使用PCI總線和使用USB接口。前者具有傳輸速度快的特點，但卻要占用一個計算機的插槽，并且設計上十分困難；后者的傳輸速度也很快，且價格較便宜，但要花費很大的精力進行USB的固件開發和維護，并要編寫復雜的驅動程序。根據此，需要設計一種能夠方便讀取CAN總線數據，并通過RS 232串行口將數據送給PC機處理和顯示的接口卡；此外還需對其串行傳輸的協議進行加強，以使能有效地降低傳輸過程中出現的錯誤。

　　1 接口卡的硬件設計

　　硬件部分主要包括主控制器、CAN總線控制器、CAN總線收發器以及與計算機的RS 232通信接口芯片等。系統的總體結構如圖1所示。主控制器通過CAN總線接口接收和緩存數據。根據PC機的命令進行選擇性的數據傳輸。

　　1．1 與CAN總線接口

　　如圖2所示，接口卡的控制器選用Atmel公司的AT89S51，該單片機的引腳和功能與8051兼容，并且內部含有4 KB的FLASH ROM，支持在系統編程(ISP)，這樣可以很方便地將應用程序下載到單片機里。

　　CAN總線控制器選用Philips公司生產的SJA1000，該芯片是PCA82C200CAN控制器的替代品，而且新增加了一種PeliCAN工作模式，能夠支持CAN 2．0B協議。它還支持錯誤中斷、報警限制、驗收濾波器擴展和自接收請求等功能。在系統中，將SJA1000的中斷輸出引腳INT接到單片機的中斷輸入引腳，這樣可以在接收數據或者總線錯誤時產生中斷，由控制器進行相應的處理。SJA1000的片選CS端接單片機的P2．7引腳，這樣SJA1000的地址就確定為7F00H～7FFFH。

　　選用芯片82C250作為CAN控制器和物理總線間的驅動接口，可以提供對總線的差動發送能力和對CAN控制器的差動接收能力，其最高速可達1 Mb／s。由于實際系統中存在干擾，故增加高速光隔6N137，以起到隔離的作用。電氣接口很簡單，有CANH和CANL兩根線，用以完成CAN的數據傳輸。在CAN總線的兩端有一個120Ω的電阻，其作用為匹配總線阻抗，用于提高數據通信的抗干擾性及可靠性。具體電路如圖2所示。

　　1．2 與RS 232接口

　　RS 232標準是美國電子工業聯合會(EIA)制定的一種串行物理接口標準，它適合于數據傳輸率在O～20 000 b／s范圍內的通信，目前廣泛用于計算機與終端或外設之間的近端連接。實際工作時，應保證電平在5～15V之間。所以為了與單片機進行通信。必須對其電平進行轉換。現在常用的轉換芯片是MAX232。MAX232內部有電壓倍增電路和轉換電路，只需5V電源便可實現TTL電平與RS 232電平的轉換，使用十分方便。串口接口電路如圖3所示。

　　2 接口卡的軟件設計

　　2．1 RS 232接口軟件設計

　　單片機與PC端的數據通信需要設計一個通信協議，采用同步通信方式進行。將通信協議分成命令幀、應答幀和數據幀三種格式。每種幀都包含有起始字節、數據長度、校驗字節和幀結束字節。具體格式如圖4所示。

命令幀共6個字節，傳輸方向為PC機到單片機。以0X00H作為幀起始，數據長度為2，當數據1和數據2同為0X00時，表示啟動接口卡，單片機接收到該信號后．會初始化SJA1000，并將結果反饋給PC機(成功或失敗)；當數據1和數據2同為0XFFH時，表示要求接口卡停止工作，單片機會讓 SJA1000進入睡眠模式，以退出總線；當數據1為0X01H時，表示PC機要求只接收某個節點的數據，數據2則表示該接點的節點號，單片機會重新設置 SJA1000的驗收濾波器，屏蔽掉其他不需要的節點數據。

　　應答幀共6個字節，傳輸方向為單片機到PC機。以0X11H作為幀起始，數據長度為2，當單片機接收到PC機的啟動或停止命令，并設置成功后，發送兩字節數據同為0X00H給PC，若設置失敗，則發送兩字節數據同為0XFFH給PC；對于PC要求讀取特定節點的命令，單片機以0X10H作為應答起始，并以兩字節同為0X00H表示成功，兩字節同為0XFFH表示失敗。

　　數據幀為接口卡從總線上讀到的數據，因為總線上數據有標準幀、遠程幀等之分，而且每個幀中裝載的數據長度未知，所以數據幀的長度不定，其傳輸方向也為單片機到PC，起始字節為0X22H。SJA1000每次接收到有效數據后會讓單片機產生接收中斷，單片機則在中斷處理中將數據首先讀入到RAM中暫時存放，然后計算其數據長度和校驗和，將數據封裝成幀，然后將幀通過串口送給PC處理和顯示。

　　各種類型的幀以0X33H作為幀結束標識。校驗和字節用來保證數據的準確性，單片機在發送數據前將各個字節相加，并將結果填人校驗字節。PC端接收到數據后，重新計算校驗和，并與單片機發送的校驗和相比較，相同則正確接收，否則要求單片機重新發送。

　　2．2 協議的透明性分析

　　在同步傳輸數據的過程中，幀的起始字節和結束字節是非常重要的，它能夠保證數據幀的準確性。但因為這兩個字節的存在，同時也引出了另一個待解決的問題，就是當數據場中出現了與起始字節相同的數據時，很有可能會導致PC端把它看成一個新的幀起始，從而導致數據的處理和顯示錯誤，這也就是數據傳輸的透明性問題。針對串口的數據傳輸，有一種比較好的解決方案。該方法將數據轉換成為ASCII字符來進行傳送，就是將每個字節的數據進行拆分，將一個16進制的字節拆分成兩個字節，如5AH，5BH，5CH，…，可以拆分為50H，0AH，50H，0BH，50H，OCH，…，PC機再接收到數據后，再將數據進行兩兩相或組合。這樣，只需要32個字節就可以組合成為00H～0FFH中任一個數據。但這種辦法的缺點也是顯而易見的，應用它所發送的有效數據量是正常發送的兩倍，對于串口這種傳輸速度不高的通信介質而言，在數據量較大的情況下，不是一種可取的方法。

　　在該接口卡中作者采取了另一種轉義字符的方法。首先定義一個轉義字符標識OXDBH。對于CAN總線而言，其每個幀的最大數據長度為8，即使將CAN的幀信息和識別碼全部當作數據發送，其長度最大也只有13 B。這樣可以肯定的是，正常情況下數據幀中數據長度字節的高4位必然為0。因此在數據發送之前，首先檢查該數據中是否有與起始字節0X22H、結束字節 0X33H和轉義標識0XDBH相同的數據，如果沒有，則正常發送；如果有，則檢測出與這兩個字節相同數據的個數，并將該個數填充到數據長度字節的高4位中；同時，將這些數據前添加轉義字符標識，并將該數據進行轉義。如數據0X22H。0X33H，0XDBH…，則轉義成0XDBH。0XD2H。 0XDBH，0XD3H，0XDBH，0XDDH…。PC機在接收到數據幀后，首先檢查數據長度字節，看其高4位是否為0，如果為0，說明該數據組不存在轉義字符，可以直接處理；如果為N。則表明數據組中存在N個轉義字符，并且每個轉義字符都以0XDB開始，需要首先將它們重新修改回原始數據。相比而言，這種辦法有很好的穩定性和接口利用率，其數據流量也不會很高。

　　2．3 CAN接口程序設計

　　CAN總線的接口程序主要就是進行SJA1000的初始化過程和后面的接收中斷處理過程。CAN初始化主要是設置CAN的通信參數。需要初始化的CAN控制寄存器有：模式寄存器(MOD)、驗收代碼寄存器(ACR)、驗收屏蔽寄存器(AMR)、總線定時寄存器(RTR)、輸出控制寄存器(OC)、中斷寄存器(IR)和中斷使能寄存器(IER)等。這些寄存器都只能在SJA1000處于復位狀態下才可寫訪問。當SJA1000進入工作模式后，就能夠自動接收總線上的數據，并將其放入接收緩沖區，同時產生接受中斷，單片機進入中斷后將數據從緩沖區中讀出，并釋放緩沖區。中斷返回后，再將數據封裝成幀發送給PC 機。

　　2．4 PC端程序設計

　　PC端程序使用VB 6．0進行開發。VB 6．O在圖形界面的制作上比較方便，使用Mscomm組件能夠輕松地制作串口的監視環境。只要在軟件設計時將上述協議添加進行。圖5給出了使用VB 6．0開發的軟件調試情況。

　　3 結 語

　　該CAN總線接口卡經過實驗驗證，證明可以達到預期的要求，能夠良好地監視總線上的數據，而且結構簡單，有較大的利用價值。當CAN總線系統數據流量較大時，可以考慮使用USB接口和PC機進行通信，這樣就能夠更好地解決速度匹配和應用場合受限的問題。