解析CAN總線與PC機串口通信適配器設計與實現

　　CAN總線(Controller AreaNetwork，控制器局域網) 已成為比較流行的一種現場總線，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，因其具有高性能、高可靠性、高性價比、連接方便、實時性好及其獨特的設計等突出優點應用于許多工業部門。而實際應用中PC機與CAN總線的人機交互設計尤為重要，它直接影響系統的運行和結果，其連接方法也成為系統設計的重點，通常采取3種連接方式：RS-232串行口通信、PCI卡、USB口通信，由于串行通信端口在系統控制領域中一直扮演著極為重要的角色，以其開發簡單，資源豐富，成本低，無需驅動程序等諸多優點，不僅沒有被淘汰，反而在規格上更先進，故應用廣泛。結合設計中AT89C51單片機有串行通信口且接口簡單的特點，選用RS-232作為CAN總線與PC機之間的連接方式。將就這一基于CAN控制器SJA1000與AT89C51的具有通用性的工業測控系統設計的軟硬件設計方案作詳細介紹。
　　CAN總線及CAN控制器SJA1000簡介
　　CAN總線最初是德國Bosch公司在1986 年為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種支持分布式實時控制系統的串行數據通訊總線。CAN總線與其它通信網的顯著不同之處在于：
　　(1)報文傳送中不包含目標地址，它是以全網廣播為基礎，各接收站根據報文中反映數據性質的標識符過濾報文，該收的收下，不收的棄用。其好處是可線上網下網、即插即用和多站接收。
　　(2)特別強化了對數據安全性的關注，滿足控制系統及其它較高數據要求的系統需求。另外CAN總線采用短幀結構，借助接收濾波的多地址幀傳送，受干擾概率低，每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施。響應遠程數據請求，配置靈活，具有全系統的數據相容性。節點數主要取決于總線驅動電路，目前最多可達110個節點。CAN總線符合ISO11898標準，通信速率高，最大傳輸速率可達1Mbit/S，最大傳輸距離為10km，傳輸介質可為雙絞線。基于CAN總線以上的特點，把它應用于系統分布比較分散且需要在同一總線上掛接多個節點的場合是非常適合的。
　　目前廣泛流行的CAN總線器件有兩大類：一類是獨立的CAN控制器，如PhilipS公司的PCA82C200，SJA1000及Intel82256/82257等;另一類是帶有在片CAN的微控制器，如P8XC582等。其中Philips公司的PCA82C200是符合CAN2. 0A協議的總線控制器，SJA1000是它的替代產品，它是應用于汽車和一般工業環境的獨立CAN總線控制器。具有完成CAN通信協議所要求的全部特性。經過簡單總線連接的SJA1000可完成CAN總線的物理層和數據鏈路層的所有功能。其硬件與軟件設計和PCA82C200的基本CAN模式(BasicCAN)兼容。同時，新增加的增強CAN模式( PeliCAN)還可支持CAN2. 0B協議。根據當前市場開發工具和課題的實際需要，選用SJA1000作為CAN控制器，同時使用了CAN控制器接口芯片PCA82C250。
　　SJA1000有兩種工作模式：基本模式和增強模式。在基本模式下，SJA1000只可收發標準數據幀(標準數據幀的標識符為11位)，且錯誤報警的極限值不能修改;在增強模式下，SJA1000既可接收標準數據幀，也可接收擴展數據幀(擴展數據幀的標識符為29位)，可修改錯誤報警的極限值，并且SJA1000具有更加靈活的濾波方式，能夠根據數據幀的標識符有選擇地接收一些數據幀。另外，增強模式下的SJA1000能夠進行自檢，即可通過自發自收一組報文來判斷該控制節點是否正常地掛在CAN總線上。使用者所要做的主要工作是SJA1000的初始化，收發報文的處理以及對節點脫離總線的檢測量與處理。
　　RS-232標準
　　串行通信由于接線少、成本低，在數據采集和控制系統中得到了廣泛的應用，1969年，美國電子工業協會( EIA)公布了RS-232C作為串行通信接口的電氣標準，該標準定義了數據終端設備(DTE)和數據通信設備(DCE)間按位串行傳輸的接口信息，合理安排了接口的電氣信號和機械要求，在世界范圍內得到了廣泛的應用。
　　系統總體結構原理及設計
　　該適配器利用RS-232串行通信口及CAN總線進行數據通信，實現上位機與各智能節點間的通信任務，包括控制臺(上位機)向下傳輸命令和下位機數據的返回，以完成對下層設備的監控。圖1為系統結構框圖。PC機通過RS-232與CAN控制器SJA1000通信，實現信息在CAN總線上的發送與接收。底層各智能節點根據應用的不同具有不同功能，但都具有與CAN總線通信能力可以上傳數據和接收數據。
　　CAN總線接口硬件設計
　　圖2為CAN總線通信接口適配器硬件設計簡圖。
　　PCA82C250提供對總線的差動發送和對CAN控制器的差動接收功能，也增大了通信距離，提高了系統的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低射頻干擾(RFI)，實現了熱防護等功能。
　　系統軟件設計
　　軟件設計分PC機Visual BasiC編程和AT89C51單片機C語言編程2部分。
　　PC機部分
　　采用VB6. 0編程，這樣界面非常直觀，人機交互效果好。VB提供了具有通訊功能的MSComm. OCX控件，該控件可設置串行通信的數據發送和接收，對串口狀態及串口通信的信息格式和協議進行設置。MSComm控件提供2種處理通訊的方式：(1)事件驅動通訊，即發送或接收數據過程中觸發ONCOMM事件，通過編程訪問CommEvent屬性了解通信事件的類型，分別進行各自的處理；(2)查詢方式，通過檢查CommEvent屬性的值來查詢事件和錯誤。采取查詢方式。控件MSComm是將RS-232的初級操作予以封裝，用戶以高級的BasiC語法即可利用RS-232與外界通信并不需要了解其他有關的初級操作，因此使用方便。
　　MSComm控件初始化：
　　MSComm1. CommPort= 2　設置串口2
　　MSComm1. SettingS=“9600，N，8，1”　設定工作方式
　　MSComm1. InBufferSize = 10　根據1次傳1個CAN幀，設置輸入緩沖區大小
　　MSComm1. InputMode = 1　二進制形式接收
　　MSComm1. InputLeN= 0　一次讀出輸入緩沖區中的所有數據
　　MSComm1. OutBufferSize = 10　輸出緩沖區大小的設置
　　MSComm1. OutBufferCount= 0　清空輸出緩沖區
　　MSComm1. PortOpeN= True 　打開串口
　　PC機與單片機MSC51之間的通信約定如下：一般情況下PC與多個MSC51單片機系統進行主從式通信，其方案是MSC51采用串口工作方式3，即11位異步接收/發送方式，有效數據為9位，其中第9位為地址/數據信息的標志位，以此區分各從機。但現在PC機采用VB編程，其MSComm控件為標準的10位串口通信，包括8位標準數據和數據的起始位和停止位。將單片機串口設為工作方式1，即改為10位異步接收/發送方式，通訊流程如下：
　　通訊時首先發通信開始標志，接著發送各下位機單片機的地址信號和芯片的片選信號，然后發送單片機的工作命令字。再往下即進行數據處理，轉入相應的處理功能模塊，最后對數據進行效驗。這個通訊流程非常簡便，實現了PC機與單片機之間的主從式通訊。
　　以下為VB的發送接收程序：
　　Private SuBcmdSendàClick()　使用按鈕控件
　　MSComm1. Output= txtSend. Text　將傳送區內的字符串以Output屬性送出
　　End Sub
　　Private SuBFormàLoad()　窗體的加載事件
　　MSComm1. PortOpeN= True 　將通訊斷口開啟，通訊參數也可以在開啟前先設定
　　MSComm1. RThreshold = Val (txtThreshold. Text)　設定引發接收事件的接收閾值，使程序一執行便開啟通訊端口，將接收的閾值設定為閾值，設定文本框內的值。
　　End Sub
　　Private SuBMSComm1. OnComm()　通訊控件的OnComm事件。引發接收事件后，將字符收進來并放在接收的文本框中
　　SelectCase MSComm1. CommEvent　根據下面每一個case 語句處理每個事件和錯誤事件
　　Case comEvCD 　CD 線的狀態發生變化
　　Case commEvReceive 　收到Rthreshold # of
　　txtReceive. Text= txtReceive. Text+ Trim(MSComm1. Input)&vbCrLf
　　Case comEvSend 　傳輸緩沖區有Sthreshold 個字符
　　End Select
　　End Sub
　　Private SuBtxtThreshold Change ( )　p閾值設定文本框的Change事件
　　MSComm1. Rthreshold = Val (txtThreshold. Text)　p當設定的閾值變化時，實時改變通訊對象的屬性
　　End Sub
　　AT89C51單片機部分
　　單片機部分采用C語言編程。C語言編程具有快捷、模塊功能強大、可靠性好、效率高等優點。其中程序初始化包括設定串口工作方式，定時器、中斷寄存器初始化，各變量的初始化。
　　TMOD = 0x20；　//定時器1為發生器
　　SCON= 0x50；　//串口工作方式1
　　TH1= 0xfd ；　//設定波特率= 9600bit/s
　　TL1= 0xfd ;
　　EA= 1；　//開中斷
　　ES= 1；　//允許串口中斷
　　TR1= 1；　//啟動定時器T1
　　SPECHAR = 0xff ；　//設定通訊開始標志
　　程序采用中斷接收，查詢發送的方式。串口中斷服務程序流程圖如圖3所示。
　　SJA1000控制器部分
　　初始化子程序CANINIT()
　　選用CAN2. 0協議構建CAN總線控制網絡，對SJA1000的初始化主要包括工作方式的設置、驗收代碼寄存器ACR、驗收屏蔽寄存器AMR、波特率的參數設置等。
　　void canàinit(void)　/*SJA1000的初始化子函數*/
　　{control = 1；　/*禁止超載、出錯及接收中斷，并置復位請求位使其進入復位狀態*/
　　while (control&0x01== 0);
　　acceptanceàcode = 0x01；　/*驗收碼寄存器(存機號1號)*/
　　acceptanceàmask= 0xfe ；　/*驗收屏蔽碼寄存器*/
　　busàtimingà0= 0x03；　/*總線定時寄存器0，同步跳轉寬度
　　T0= T，BPS= 125 k*/
　　busàtimingà1= 0x18；　/*總線定時寄存器1，T1= 9T，T2=2T，波特率為500kbit/S*/
　　outputàcontrol = 0x1A；　/*正常輸出方式，TX1引腳懸浮*/
　　clockàdivider = 0x40；　/*BASICCAN模式，RX1接固定電平*/
　　control = 0x1A；　/*清復位請求，使其進入工作狀態*/
　　}
　　發送canàsend()
　　發送子程序負責節點報文的發送，由CAN控制器SJA1000獨立完成，將命令寄存器里的發送請求標志置位，即可發送SJA1000發送緩沖區中的報文。
　　void canàsend(unsigned char ID ，char*xdata)　/*該子函數完成一幀數據的發送*/
　　{while ( (status&0x10)>> 4 == 1)àNOPà；　/*檢查上次請求發送是否完成*/
　　while ( (status&0x04)>> 2== 0)àNOPà;
　　Transmitbuffer1= ID;
　　Transmitbuffer2= 0x08;
　　Transmitbuffer3= txdata[0] ;
　　Transmitbuffer10= txdata[7] ;
　　Command = 0x05 ；　/*發送請求*/
　　while ( (status&0x08)>> 3== 0);
　　}
　　接收子程序canàreceive ()
　　接收子程序負責節點報文的接收。SJA1000自動接收發往該節點的數據并將收到的數據放到它的接收緩沖器中。
　　SJA1000的報文接收主要有2種方式：中斷接收方式和查詢接收方式。系統采用的是中斷接收方式。
　　{unsigned char ir ;
　　ir = interrupt；　/*獲得SJA1000的中斷狀態*/
　　EA= 0;
　　If ( (ir&0x04)>> 2== 1)error ( )；　/*如果是出錯中斷，則調出錯處理函數*/
　　If ( (ir&0x08)>> 3== 1)overruN( )；　/*如果是超載中斷，則調超載處理函數*/
　　While ( ( (ir&0x04)>> 2== 1)‖( ( (ir&0x08)>> 3)== 1){àNOPà;}
　　RxID[0] = Receivebuffer1;
　　RxID[0] = Receivebuffer2;
　　If ( ( (Receivebuffer2&0x10)>> 4)== 0)　/*如果是數據幀，則接收數據*/
　　{Rxdata[0] = Receivebuffer3;
　　.
　　Rxdata[7] = Receivebuffer10;
　　Command = 0x04 ；　/*SJA1000的接收緩存器被釋放*/
　　}
　　else if ( ( (Receivebuffer2&0x10)>> 4)== 1)　/*如果是遠程幀，則作相應處理*/
　　{ 　/*相應處理程序*/
　　EA= 1;
　　}
　　}

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