導(dǎo)語：接口電路轉(zhuǎn)換設(shè)計管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

引言

現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行數(shù)字式多點(diǎn)雙向通信的數(shù)據(jù)總線，多用于工空等領(lǐng)域，應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)不僅可以降低系統(tǒng)的布線成本，還具有設(shè)計簡單、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，同時，由于現(xiàn)場總線本身還提供了靈活而又功能強(qiáng)大的協(xié)議，這就使得用戶對系統(tǒng)配置，設(shè)備選型具有強(qiáng)大的自主權(quán)，可以任意組合多種功能模塊擴(kuò)充系統(tǒng)的功能。在眾多的現(xiàn)場工業(yè)總線中，CAN總線是一種具有國際標(biāo)準(zhǔn)而且性能價格比又較高的現(xiàn)場總線，它在當(dāng)今自動控制領(lǐng)域中的應(yīng)用極為廣泛，并發(fā)揮著重要的作用。一個由CAN總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，理論上可以掛接無數(shù)個節(jié)點(diǎn)。實際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)數(shù)目受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制。CAN可提供高達(dá)1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤檢定特性也增強(qiáng)了CAN的抗電磁干擾能力。

CAN通訊協(xié)議描述了在設(shè)備之間信息如何傳遞。它對層的定義與開放系統(tǒng)互連模型(OSI)一致。每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通訊。實際的通訊是發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過模型物理層的物理介質(zhì)互連。CAN的結(jié)構(gòu)定義了模型的最下面的兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。應(yīng)用層通過不同的新型協(xié)議層（專門用于特殊的工業(yè)領(lǐng)域加上由個別CAN用戶定義的任何合適的方案）和物理層連接。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層對于設(shè)計者來說是透明的，并包含在所有執(zhí)行CAN協(xié)議的部件中。

實際中，許多設(shè)備是RS-232接口，為了實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)和RS-232接口設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸，設(shè)計完成了CAN總線與RS-232轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計。

1.CAN總線協(xié)議分析

1.1CAN總線主要特點(diǎn)

CAN總線是一種多主式的串行通信總線，具有極高的實時性和可靠行，最高通信速率可以達(dá)到1Mbit/s，是一種十分優(yōu)秀的現(xiàn)場工業(yè)總線。CAN總線具有如下特點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡單，只有2根線與外部相連，且內(nèi)部集成錯誤探測和管理模塊。

通信方式靈活?？梢远嘀鞣绞焦ぷ?，網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。

可以點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)或者全局廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息可分成不同的優(yōu)先級，以滿足不同的實時要求。

CAN總線通信格式采用短幀格式，每幀字節(jié)最多為8個，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8字節(jié)也不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。

采用非破壞性總線仲裁技術(shù)。當(dāng)兩個節(jié)點(diǎn)同時向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)。這大大的節(jié)省了總線仲裁沖突的時間，雜網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

直接通信距離最大可達(dá)10Km（速率5Kbit/s以下），最高通信速率可達(dá)1Mbit/s（此時距離最長為40Km），節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。

CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢測、優(yōu)先級判別等多項工作。

CAN總線采用CRC進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

1.2CAN總線協(xié)議

CAN總線協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式，從結(jié)構(gòu)上可分成3個層次，分別對應(yīng)OSI網(wǎng)絡(luò)模型的最低兩層數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。CAN總線協(xié)議層次結(jié)構(gòu)由高到低如表1-1所示。

表1-1CAN總線協(xié)議層次結(jié)構(gòu)

協(xié)議層

對應(yīng)OSI模型

說明

LLC

數(shù)據(jù)鏈路層

邏輯鏈路控制子層，用于為鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸提供上層控制手段

MAC

媒體訪問控制子層，用于控制幀結(jié)構(gòu)、仲裁、錯誤界定等數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w實現(xiàn)

物理層

物理層

物理層的作用是在不同節(jié)點(diǎn)之間根據(jù)所有的電氣屬性進(jìn)行位的實際傳輸

LLC層和MAC層也可以看作是CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層的兩個子層。其中LLC層接收MAC層傳遞的報文，主要完成報文濾波、過載通知以及恢復(fù)管理等工作。而MAC層則為數(shù)據(jù)報文的傳輸進(jìn)行具體的控制，包括幀結(jié)構(gòu)控制、總線仲裁、錯誤檢測、出錯界定、報文收發(fā)控制等工作。

物理層定義了信號是如何實際傳輸?shù)?，因此涉及到位時間、位編碼、同步的解釋，CAN總線協(xié)議并未對物理層部分進(jìn)行具體的規(guī)定。

1.3CAN總線報文傳輸結(jié)構(gòu)

報文傳輸由以下4個不同的幀類型所表示

1．?dāng)?shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)從發(fā)送器至接收器。

數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應(yīng)答場、幀結(jié)尾。數(shù)據(jù)場的長度可以為0。數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）通過幀間空間與前述的各幀分開。

2．遠(yuǎn)程幀：總線單元發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請求發(fā)送具有同一識別符的數(shù)據(jù)幀。

遠(yuǎn)程幀由6個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應(yīng)答場、幀末尾。通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀，作為某數(shù)據(jù)接收器的站通過其資源節(jié)點(diǎn)對不同的數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行初始化設(shè)置。

3．錯誤幀：任何單元檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。

錯誤幀由兩個不同的場組成。第一個場用作為不同站提供的錯誤標(biāo)志（ERRORFLAG）的疊加。第二個場是錯誤界定符。

為了能正確地終止錯誤幀，"錯誤被動"的節(jié)點(diǎn)要求總線至少有長度為3個位時間的總線空閑（如果"錯誤被動"的接收器有本地錯誤的話）。因此，總線的載荷不應(yīng)為100%。有兩種形式的錯誤標(biāo)志，主動錯誤標(biāo)志（Activeerrorflag）和被動錯誤標(biāo)志（Passiveerrorflag）。

4．過載幀：過載幀用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間提供一附加的延時。

過載幀包括兩個位場：過載標(biāo)志和過載界定符。

有兩種過載條件都會導(dǎo)致過載標(biāo)志的傳送：

（1）接收器的內(nèi)部條件（此接收器對于下一數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀需要有一延時）。

（2）間歇場期間檢測到一"顯性"位。

由過載條件1而引發(fā)的過載幀只允許起始于所期望的間歇場的第一個位時間開始。而由過載條件2引發(fā)的過載幀應(yīng)起始于所檢測到"顯性"位之后的位。

1.4CAN總線錯誤處理

1.4.1錯誤檢測

有以下5種不同的錯誤類型（這5種錯誤不會相互排斥）

1．位錯誤（BitError）

單元在發(fā)送位的同時也對總線進(jìn)行監(jiān)視。如果所發(fā)送的位值與所監(jiān)視的位值不相合，則在此位時間里檢測到一個位錯誤。但是在仲裁場（ARBITRATIONFIELD）的填充位流期間或應(yīng)答間隙（ACKSLOT）發(fā)送一"隱性"位的情況是例外的。此時，當(dāng)監(jiān)視到一"顯性"位時，不會發(fā)出位錯誤。當(dāng)發(fā)送器發(fā)送一個被動錯誤標(biāo)志但檢測到"顯性"位時，也不視為位錯誤。

2．填充錯誤（StruffError）

如果在使用位填充法進(jìn)行編碼的信息中，出現(xiàn)了第6個連續(xù)相同的位電平時，將檢測到一個填充錯誤。

3．CRC錯誤（CRCError）

CRC序列包括發(fā)送器的CRC計算結(jié)果。接收器計算CRC的方法與發(fā)送器相同。如果計算結(jié)果與接收到CRC序列的結(jié)果不相符，則檢測到一個CRC錯誤。

4．形式錯誤（FormError）

當(dāng)一個固定形式的位場含有1個或多個非法位，則檢測到一個形式錯誤。(備注：接收器的幀末尾最后一位期間的顯性位不被當(dāng)作幀錯誤)

5．應(yīng)答錯誤（AcknowledgmentError）

只要在應(yīng)答間隙（ACKSLOT）期間所監(jiān)視的位不為"顯性"，則發(fā)送器會檢測到一個應(yīng)答錯誤。

1.4.2錯誤標(biāo)定

檢測到錯誤條件的站通過發(fā)送錯誤標(biāo)志指示錯誤。對于"錯誤主動"的節(jié)點(diǎn)，錯誤信息為"主動錯誤標(biāo)志"，對于"錯誤被動"的節(jié)點(diǎn)，錯誤信息為"被動錯誤標(biāo)志"。站檢測到無論是位錯誤、填充錯誤、形式錯誤，還是應(yīng)答錯誤，這個站會在下一位時發(fā)出錯誤標(biāo)志信息。只要檢測到的錯誤的條件是CRC錯誤，錯誤標(biāo)志的發(fā)送開始于ACK界定符之后的位（其他的錯誤條件除外）。

2.CAN控制器SJA1000分析

2.1CAN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與SJA1000操作模式

SJA1000獨(dú)立的CAN控制器有2個不同的操作模式：

BasicCAN模式（和PCA82C200兼容）；

PeliCAN模式

BasicCAN模式是上電后默認(rèn)的操作模式。因此用PCA82C200開發(fā)的已有硬件和軟件可以直接在SJA1000上使用，而不用作任何修改。

PeliCAN模式是新的操作模式，它能夠處理所有CAN2.0B規(guī)范的幀類型。而且它還提供一些增強(qiáng)功能，例如，SJA1000支持一些錯誤分析功能，支持系統(tǒng)診斷、系統(tǒng)維護(hù)和系統(tǒng)優(yōu)化，而且這個模式里也加入了對一般CPU的支持和系統(tǒng)自身測試的功能。使SJA1000能應(yīng)用于更寬的領(lǐng)域。

本設(shè)計采用PeliCAN模式，因此只給出PeliCAN模式增強(qiáng)功能。如表2-1所示。

表2-1PeliCAN模式的增強(qiáng)功能

CAN2.0B(active)

CAN2.0Bactive支持帶有29位標(biāo)識符的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展應(yīng)用

發(fā)送緩沖器

有11位或29位標(biāo)識符的報文的單報文發(fā)送緩沖器

增強(qiáng)的驗收濾波器

兩個驗收濾波器模式支持11位和29位標(biāo)識符的濾波

可讀的錯誤計數(shù)器

支持錯誤分析在原型階段和在正常操作期間可用于：診斷、系統(tǒng)維護(hù)、系統(tǒng)優(yōu)化

可編程的出錯警告界限

錯誤代碼捕捉寄存器

出錯中斷

仲裁丟失捕捉中斷

支持系統(tǒng)優(yōu)化包括報文延遲時間的分析

單次發(fā)送

使軟件命令最小化和允許快速重載發(fā)送緩沖器

僅聽模式

SJA1000能夠作為一個認(rèn)可的CAN監(jiān)控器操作，可以分析CAN總線通信或進(jìn)行自動位速率檢測

自測試模式

支持全部CAN節(jié)點(diǎn)的功能自測試或在一個系統(tǒng)內(nèi)的自接收

通常，每個CAN模塊能夠被分成不同的功能塊，如圖2-1所示。

CAN控制器執(zhí)行在CAN規(guī)范里規(guī)定的完整CAN協(xié)議。它通常用于報文緩沖和驗收濾波。

通用CAN收發(fā)器實現(xiàn)從CAN控制器到CAN總線物理層的電氣連接。

而所有這些CAN功能都由一個模塊控制器控制，它負(fù)責(zé)執(zhí)行應(yīng)用層的功能。

元器件清單

表3-3CAN總線與RS-2232接口電路設(shè)計元?dú)饧鍐?/p>

序號

元件名稱

數(shù)量（個）

單價（元）

總價（元）

1

AT89C51

1

7.50

7.50

2

SJA1000

1

25.00

25.00

3

HM6116

1

1.00

1.00

4

MAX232

1

5.00

5.00

5

74HC373

1

1.00

1.00

6

PCA82C250

1

6.50

6.50

7

X25045

1

1.00

1.00

8

TLP113

2

3.00

6.00

合計

53.00

結(jié)論

本設(shè)計完成了CAN總線與RS-232轉(zhuǎn)換接口設(shè)計。由于CAN總線與RS-232接口數(shù)據(jù)通信速率以及通信幀格式都不同，本設(shè)計最大優(yōu)點(diǎn)是解決了這兩點(diǎn)不同，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在CAN總線與RS-232接口之間的傳輸。且設(shè)計中由于使用了CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸這就使得通信方式多主性。網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)可以任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主從?？梢渣c(diǎn)對點(diǎn)，點(diǎn)對多點(diǎn)或全局廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

由于CAN總線標(biāo)準(zhǔn)沒有定義應(yīng)用層，數(shù)據(jù)鏈路層提供與信息內(nèi)容相應(yīng)的尋址能力，消息的內(nèi)容完全由應(yīng)用解釋。且CAN總線的每個數(shù)據(jù)幀最多只能承載8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，因而只適應(yīng)提供短的變量服務(wù)。許多功能還需要擴(kuò)展。

綜上所述，通過此次設(shè)計，我們感受到CAN總線帶來的各種便利。而且，由于CAN總線具有結(jié)構(gòu)簡單、實時性極高、可靠性強(qiáng)且本身具有強(qiáng)大的糾錯能力。使得它在當(dāng)今自動控制領(lǐng)域中的應(yīng)用極為廣泛。由于CAN協(xié)議參考OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)模型，可由用戶定義應(yīng)用層協(xié)議，通過相關(guān)的CAN轉(zhuǎn)接設(shè)備，將CAN與計算機(jī)相連，利用CAN232B轉(zhuǎn)換器組建一個CAN控制網(wǎng)絡(luò)，能夠很方便的實現(xiàn)RS-232多點(diǎn)組網(wǎng)、遠(yuǎn)程通訊，并且，不需要更改原有RS-232通訊軟件，用戶可直接嵌入原有的應(yīng)用領(lǐng)域，使系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到更先進(jìn)的水平。

摘要............................................................................................................Ι

ABSTRACT..................................................................................................................................ΙΙ

引言1

1.CAN總線協(xié)議分析2

1.1CAN總線主要特點(diǎn)2

1.2CAN總線協(xié)議2

1.3CAN總線報文傳輸結(jié)構(gòu)3

1.4CAN總線錯誤處理3

1.4.1錯誤檢測3

1.4.2錯誤標(biāo)定4

2.CAN控制器SJA1000分析5

2.1CAN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與SJA1000操作模式5

2.2SJA1000內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能分析6

3.CAN總線與RS-232轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計11

3.1CAN總線與RS-232轉(zhuǎn)換接口電路總體設(shè)計11

3.2主控制模塊電路設(shè)計12

3.2.1AT89C51與6116電路設(shè)計13

3.2.2看門狗電路設(shè)計14

3.3AT89C51與RS-232轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計16

3.3.1RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)分析16

3.3.2RS-232與AT89C51接口電路設(shè)計18

3.4SJA1000與AT89C51接口電路設(shè)計19

3.4.1SJA1000與AT89C51接口電路設(shè)計19

3.4.2物理層接口電路設(shè)計21

3.5元器件清單22

結(jié)論22

致謝24

參考文獻(xiàn)25