CAN／RS 232接口卡的设计与实现

摘要：详细叙述了一种利用AT89S51单片机和SJAl000总线控制器的CAN总线与RS 232接口卡的设计和实现方法；通过对串行通信协议的加强，设计了一种同步的串行通信协议。该接口卡可以方便地建立起计算机与CAN总线之间的通信，能够使CAN总线的设计者方便地观察总线的运行情况和各个节点所发送的数据。实际运行证实了其可靠性和易用性。
关键词：CAN总线；RS 232；串行通信协议；总线控制器

    控制器局域网(Controller Area Network，CAN)属于现场总线的范畴，其总线规范已被ISO国际标准化组织制定为国际标准，并被公认为是最有前途的现场总线之一。CAN总线广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信。因为CAN总线数据的传输和处理都由节点的单片机完成。这样就使设计者和观察者没有办法以比较直观的方式掌握总线的运行情况。现在市场上主要有两种CAN的接口卡，使用PCI总线和使用USB接口。前者具有传输速度快的特点，但却要占用一个计算机的插槽，并且设计上十分困难；后者的传输速度也很快，且价格较便宜，但要花费很大的精力进行USB的固件开发和维护，并要编写复杂的驱动程序。根据此，需要设计一种能够方便读取CAN总线数据，并通过RS 232串行口将数据送给PC机处理和显示的接口卡；此外还需对其串行传输的协议进行加强，以使能有效地降低传输过程中出现的错误。

1 接口卡的硬件设计
    硬件部分主要包括主控制器、CAN总线控制器、CAN总线收发器以及与计算机的RS 232通信接口芯片等。系统的总体结构如图1所示。主控制器通过CAN总线接口接收和缓存数据。根据PC机的命令进行选择性的数据传输。

1．1 与CAN总线接口
    如图2所示，接口卡的控制器选用Atmel公司的AT89S51，该单片机的引脚和功能与8051兼容，并且内部含有4 KB的FLASH ROM，支持在系统编程(ISP)，这样可以很方便地将应用程序下载到单片机里。
    CAN总线控制器选用Philips公司生产的SJA1000，该芯片是PCA82C200CAN控制器的替代品，而且新增加了一种PeliCAN工作模式，能够支持CAN 2．0B协议。它还支持错误中断、报警限制、验收滤波器扩展和自接收请求等功能。在系统中，将SJA1000的中断输出引脚INT接到单片机的中断输入引脚，这样可以在接收数据或者总线错误时产生中断，由控制器进行相应的处理。SJA1000的片选CS端接单片机的P2．7引脚，这样SJA1000的地址就确定为7F00H～7FFFH。
    选用芯片82C250作为CAN控制器和物理总线间的驱动接口，可以提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力，其最高速可达1 Mb／s。由于实际系统中存在干扰，故增加高速光隔6N137，以起到隔离的作用。电气接口很简单，有CANH和CANL两根线，用以完成CAN的数据传输。在CAN总线的两端有一个120Ω的电阻，其作用为匹配总线阻抗，用于提高数据通信的抗干扰性及可靠性。具体电路如图2所示。

1．2 与RS 232接口
    RS 232标准是美国电子工业联合会(EIA)制定的一种串行物理接口标准，它适合于数据传输率在O～20 000 b／s范围内的通信，目前广泛用于计算机与终端或外设之间的近端连接。实际工作时，应保证电平在5～15V之间。所以为了与单片机进行通信。必须对其电平进行转换。现在常用的转换芯片是MAX232。MAX232内部有电压倍增电路和转换电路，只需5V电源便可实现TTL电平与RS 232电平的转换，使用十分方便。串口接口电路如图3所示。

2 接口卡的软件设计
2．1 RS 232接口软件设计
    单片机与PC端的数据通信需要设计一个通信协议，采用同步通信方式进行。将通信协议分成命令帧、应答帧和数据帧三种格式。每种帧都包含有起始字节、数据长度、校验字节和帧结束字节。具体格式如图4所示。

    命令帧共6个字节，传输方向为PC机到单片机。以0X00H作为帧起始，数据长度为2，当数据1和数据2同为0X00时，表示启动接口卡，单片机接收到该信号后．会初始化SJA1000，并将结果反馈给PC机(成功或失败)；当数据1和数据2同为0XFFH时，表示要求接口卡停止工作，单片机会让SJA1000进入睡眠模式，以退出总线；当数据1为0X01H时，表示PC机要求只接收某个节点的数据，数据2则表示该接点的节点号，单片机会重新设置SJA1000的验收滤波器，屏蔽掉其他不需要的节点数据。
    应答帧共6个字节，传输方向为单片机到PC机。以0X11H作为帧起始，数据长度为2，当单片机接收到PC机的启动或停止命令，并设置成功后，发送两字节数据同为0X00H给PC，若设置失败，则发送两字节数据同为0XFFH给PC；对于PC要求读取特定节点的命令，单片机以0X10H作为应答起始，并以两字节同为0X00H表示成功，两字节同为0XFFH表示失败。
    数据帧为接口卡从总线上读到的数据，因为总线上数据有标准帧、远程帧等之分，而且每个帧中装载的数据长度未知，所以数据帧的长度不定，其传输方向也为单片机到PC，起始字节为0X22H。SJA1000每次接收到有效数据后会让单片机产生接收中断，单片机则在中断处理中将数据首先读入到RAM中暂时存放，然后计算其数据长度和校验和，将数据封装成帧，然后将帧通过串口送给PC处理和显示。
    各种类型的帧以0X33H作为帧结束标识。校验和字节用来保证数据的准确性，单片机在发送数据前将各个字节相加，并将结果填人校验字节。PC端接收到数据后，重新计算校验和，并与单片机发送的校验和相比较，相同则正确接收，否则要求单片机重新发送。
2．2 协议的透明性分析
    在同步传输数据的过程中，帧的起始字节和结束字节是非常重要的，它能够保证数据帧的准确性。但因为这两个字节的存在，同时也引出了另一个待解决的问题，就是当数据场中出现了与起始字节相同的数据时，很有可能会导致PC端把它看成一个新的帧起始，从而导致数据的处理和显示错误，这也就是数据传输的透明性问题。针对串口的数据传输，有一种比较好的解决方案。该方法将数据转换成为ASCII字符来进行传送，就是将每个字节的数据进行拆分，将一个16进制的字节拆分成两个字节，如5AH，5BH，5CH，…，可以拆分为50H，0AH，50H，0BH，50H，OCH，…，PC机再接收到数据后，再将数据进行两两相或组合。这样，只需要32个字节就可以组合成为00H～0FFH中任一个数据。但这种办法的缺点也是显而易见的，应用它所发送的有效数据量是正常发送的两倍，对于串口这种传输速度不高的通信介质而言，在数据量较大的情况下，不是一种可取的方法。
    在该接口卡中作者采取了另一种转义字符的方法。首先定义一个转义字符标识OXDBH。对于CAN总线而言，其每个帧的最大数据长度为8，即使将CAN的帧信息和识别码全部当作数据发送，其长度最大也只有13 B。这样可以肯定的是，正常情况下数据帧中数据长度字节的高4位必然为0。因此在数据发送之前，首先检查该数据中是否有与起始字节0X22H、结束字节0X33H和转义标识0XDBH相同的数据，如果没有，则正常发送；如果有，则检测出与这两个字节相同数据的个数，并将该个数填充到数据长度字节的高4位中；同时，将这些数据前添加转义字符标识，并将该数据进行转义。如数据0X22H。0X33H，0XDBH…，则转义成0XDBH。0XD2H。0XDBH，0XD3H，0XDBH，0XDDH…。PC机在接收到数据帧后，首先检查数据长度字节，看其高4位是否为0，如果为0，说明该数据组不存在转义字符，可以直接处理；如果为N。则表明数据组中存在N个转义字符，并且每个转义字符都以0XDB开始，需要首先将它们重新修改回原始数据。相比而言，这种办法有很好的稳定性和接口利用率，其数据流量也不会很高。
2．3 CAN接口程序设计
    CAN总线的接口程序主要就是进行SJA1000的初始化过程和后面的接收中断处理过程。CAN初始化主要是设置CAN的通信参数。需要初始化的CAN控制寄存器有：模式寄存器(MOD)、验收代码寄存器(ACR)、验收屏蔽寄存器(AMR)、总线定时寄存器(RTR)、输出控制寄存器(OC)、中断寄存器(IR)和中断使能寄存器(IER)等。这些寄存器都只能在SJA1000处于复位状态下才可写访问。当SJA1000进入工作模式后，就能够自动接收总线上的数据，并将其放入接收缓冲区，同时产生接受中断，单片机进入中断后将数据从缓冲区中读出，并释放缓冲区。中断返回后，再将数据封装成帧发送给PC机。
2．4 PC端程序设计
    PC端程序使用VB 6．0进行开发。VB 6．O在图形界面的制作上比较方便，使用Mscomm组件能够轻松地制作串口的监视环境。只要在软件设计时将上述协议添加进行。图5给出了使用VB 6．0开发的软件调试情况。

3 结 语
    该CAN总线接口卡经过实验验证，证明可以达到预期的要求，能够良好地监视总线上的数据，而且结构简单，有较大的利用价值。当CAN总线系统数据流量较大时，可以考虑使用USB接口和PC机进行通信，这样就能够更好地解决速度匹配和应用场合受限的问题。