控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network,，CAN)屬于現(xiàn)場總線的范疇,，其總線規(guī)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(xiàn)場總線之一,。CAN總線廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的各檢測和執(zhí)行機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。因為CAN總線數(shù)據(jù)的傳輸和處理都由節(jié)點的單片機完成,。這樣就使設(shè)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?，F(xiàn)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(shè)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(fā)和維護,，并要編寫復雜的驅(qū)動程序,。根據(jù)此，需要設(shè)計一種能夠方便讀取CAN總線數(shù)據(jù),，并通過RS 232串行口將數(shù)據(jù)送給PC機處理和顯示的接口卡,；此外還需對其串行傳輸?shù)膮f(xié)議進行加強，以使能有效地降低傳輸過程中出現(xiàn)的錯誤,。
1 接口卡的硬件設(shè)計
硬件部分主要包括主控制器,、CAN總線控制器、CAN總線收發(fā)器以及與計算機的RS 232通信接口芯片等,。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。主控制器通過CAN總線接口接收和緩存數(shù)據(jù)。根據(jù)PC機的命令進行選擇性的數(shù)據(jù)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(nèi)部含有4 KB的FLASH ROM,，支持在系統(tǒng)編程(ISP),，這樣可以很方便地將應(yīng)用程序下載到單片機里。
CAN總線控制器選用Philips公司生產(chǎn)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(xié)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(tǒng)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(shù)據(jù)或者總線錯誤時產(chǎn)生中斷,，由控制器進行相應(yīng)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(qū)動接口,，可以提供對總線的差動發(fā)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yè)聯(lián)合會(EIA)制定的一種串行物理接口標準,，它適合于數(shù)據(jù)傳輸率在O～20 000 b／s范圍內(nèi)的通信,，目前廣泛用于計算機與終端或外設(shè)之間的近端連接。實際工作時,，應(yīng)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(zhuǎn)換?，F(xiàn)在常用的轉(zhuǎn)換芯片是MAX232,。MAX232內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，只需5V電源便可實現(xiàn)TTL電平與RS 232電平的轉(zhuǎn)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(shè)計
2．1 RS 232接口軟件設(shè)計
單片機與PC端的數(shù)據(jù)通信需要設(shè)計一個通信協(xié)議，采用同步通信方式進行,。將通信協(xié)議分成命令幀,、應(yīng)答幀和數(shù)據(jù)幀三種格式。每種幀都包含有起始字節(jié),、數(shù)據(jù)長度,、校驗字節(jié)和幀結(jié)束字節(jié)。具體格式如圖4所示,。
命令幀共6個字節(jié),，傳輸方向為PC機到單片機。以0X00H作為幀起始,，數(shù)據(jù)長度為2,，當數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)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(jié)果反饋給PC機(成功或失敗)；當數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)1為0X01H時,，表示PC機要求只接收某個節(jié)點的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)2則表示該接點的節(jié)點號,，單片機會重新設(shè)置 SJA1000的驗收濾波器,，屏蔽掉其他不需要的節(jié)點數(shù)據(jù)。
應(yīng)答幀共6個字節(jié),，傳輸方向為單片機到PC機,。以0X11H作為幀起始，數(shù)據(jù)長度為2,，當單片機接收到PC機的啟動或停止命令,，并設(shè)置成功后，發(fā)送兩字節(jié)數(shù)據(jù)同為0X00H給PC,，若設(shè)置失敗,，則發(fā)送兩字節(jié)數(shù)據(jù)同為0XFFH給PC；對于PC要求讀取特定節(jié)點的命令,，單片機以0X10H作為應(yīng)答起始,，并以兩字節(jié)同為0X00H表示成功,，兩字節(jié)同為0XFFH表示失敗。
數(shù)據(jù)幀為接口卡從總線上讀到的數(shù)據(jù),，因為總線上數(shù)據(jù)有標準幀,、遠程幀等之分，而且每個幀中裝載的數(shù)據(jù)長度未知,，所以數(shù)據(jù)幀的長度不定,，其傳輸方向也為單片機到PC，起始字節(jié)為0X22H,。SJA1000每次接收到有效數(shù)據(jù)后會讓單片機產(chǎn)生接收中斷,，單片機則在中斷處理中將數(shù)據(jù)首先讀入到RAM中暫時存放，然后計算其數(shù)據(jù)長度和校驗和,，將數(shù)據(jù)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(jié)束標識,。校驗和字節(jié)用來保證數(shù)據(jù)的準確性,，單片機在發(fā)送數(shù)據(jù)前將各個字節(jié)相加，并將結(jié)果填人校驗字節(jié),。PC端接收到數(shù)據(jù)后,，重新計算校驗和，并與單片機發(fā)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(fā)送。
2．2 協(xié)議的透明性分析
在同步傳輸數(shù)據(jù)的過程中,，幀的起始字節(jié)和結(jié)束字節(jié)是非常重要的,，它能夠保證數(shù)據(jù)幀的準確性。但因為這兩個字節(jié)的存在,，同時也引出了另一個待解決的問題,，就是當數(shù)據(jù)場中出現(xiàn)了與起始字節(jié)相同的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的處理和顯示錯誤，這也就是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐该餍詥栴},。針對串口的數(shù)據(jù)傳輸,，有一種比較好的解決方案。該方法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為ASCII字符來進行傳送,，就是將每個字節(jié)的數(shù)據(jù)進行拆分,，將一個16進制的字節(jié)拆分成兩個字節(jié)，如5AH,，5BH,，5CH,，…，可以拆分為50H,，0AH,，50H，0BH,，50H,，OCH，…,，PC機再接收到數(shù)據(jù)后,，再將數(shù)據(jù)進行兩兩相或組合。這樣,，只需要32個字節(jié)就可以組合成為00H～0FFH中任一個數(shù)據(jù),。但這種辦法的缺點也是顯而易見的，應(yīng)用它所發(fā)送的有效數(shù)據(jù)量是正常發(fā)送的兩倍,，對于串口這種傳輸速度不高的通信介質(zhì)而言,，在數(shù)據(jù)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(zhuǎn)義字符的方法,。首先定義一個轉(zhuǎn)義字符標識OXDBH。對于CAN總線而言,，其每個幀的最大數(shù)據(jù)長度為8,，即使將CAN的幀信息和識別碼全部當作數(shù)據(jù)發(fā)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(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)長度字節(jié)的高4位必然為0。因此在數(shù)據(jù)發(fā)送之前,，首先檢查該數(shù)據(jù)中是否有與起始字節(jié)0X22H,、結(jié)束字節(jié) 0X33H和轉(zhuǎn)義標識0XDBH相同的數(shù)據(jù)，如果沒有,，則正常發(fā)送,；如果有，則檢測出與這兩個字節(jié)相同數(shù)據(jù)的個數(shù),，并將該個數(shù)填充到數(shù)據(jù)長度字節(jié)的高4位中,；同時，將這些數(shù)據(jù)前添加轉(zhuǎn)義字符標識,，并將該數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)義,。如數(shù)據(jù)0X22H。0X33H,，0XDBH…,，則轉(zhuǎn)義成0XDBH,。0XD2H。 0XDBH,，0XD3H,，0XDBH，0XDDH…,。PC機在接收到數(shù)據(jù)幀后,，首先檢查數(shù)據(jù)長度字節(jié)，看其高4位是否為0,，如果為0,，說明該數(shù)據(jù)組不存在轉(zhuǎn)義字符，可以直接處理,；如果為N,。則表明數(shù)據(jù)組中存在N個轉(zhuǎn)義字符，并且每個轉(zhuǎn)義字符都以0XDB開始,，需要首先將它們重新修改回原始數(shù)據(jù),。相比而言，這種辦法有很好的穩(wěn)定性和接口利用率,，其數(shù)據(jù)流量也不會很高,。
2．3 CAN接口程序設(shè)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(shè)置CAN的通信參數(shù),。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(tài)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(shù)據(jù),，并將其放入接收緩沖區(qū),，同時產(chǎn)生接受中斷，單片機進入中斷后將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)中讀出,，并釋放緩沖區(qū),。中斷返回后，再將數(shù)據(jù)封裝成幀發(fā)送給PC 機,。
2．4 PC端程序設(shè)計
PC端程序使用VB 6．0進行開發(fā),。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(jiān)視環(huán)境,。只要在軟件設(shè)計時將上述協(xié)議添加進行,。圖5給出了使用VB 6．0開發(fā)的軟件調(diào)試情況。
3 結(jié) 語
該CAN總線接口卡經(jīng)過實驗驗證,，證明可以達到預(yù)期的要求,，能夠良好地監(jiān)視總線上的數(shù)據(jù)，而且結(jié)構(gòu)簡單,，有較大的利用價值,。當CAN總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(yīng)用場合受限的問題,。