【正文】 L轉(zhuǎn)換。EIA RS232C是用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計(jì)算機(jī)接口或終端的TTL器件連接，必須在EIA RS232C與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。實(shí)現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，如MC148SN75150芯片可完成TTL電平到EIA電平的轉(zhuǎn)換，而MC148SN75154可實(shí)現(xiàn)EIA電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換。MAX232芯片可完成TTL與EIA雙向電平轉(zhuǎn)換[2]。 CAN總線特性分析 CAN總線的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)在上一節(jié)中已經(jīng)對(duì)CAN總線做了一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹，CAN總線作為一種串行通信協(xié)議，有著其它總線協(xié)議所不具有的一些特征。下面開(kāi)始從技術(shù)參數(shù)方面分析CAN總線規(guī)范。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(duì)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)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義不同的數(shù)據(jù)塊，這種按照數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。CAN總線有如下基本特點(diǎn)：● 廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，可以多主方式工作；● 采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突；● 采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時(shí)間短；● 每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕m于在高干擾環(huán)境下使用；● 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響；● 可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一對(duì)多及廣播集中方式傳送和接收數(shù)據(jù)。 分析以上CAN總線的特點(diǎn)總結(jié)得到其主要優(yōu)點(diǎn)有：1）廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，可以多主方式工作。這樣的方式減小了數(shù)據(jù)通信過(guò)程中尋址的復(fù)雜度，可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文，同時(shí)這種工作方式下避免了象單片機(jī)多機(jī)通信情況下的只能有一個(gè)主機(jī)的缺陷，這樣更有利于數(shù)據(jù)的傳輸管理。2）具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。這些特點(diǎn)是串口通信不能相比擬的——串口通信受到傳輸距離的限制，而傳輸速度也是有限的，繼而也就影響到了傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性?？垢蓴_能力以及經(jīng)濟(jì)上的考慮CAN總線也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。3）采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作。貨場(chǎng)的工作環(huán)境比較惡劣，尤其是噪聲比較大，這在初期的調(diào)研中得到或驗(yàn)證，因此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮到噪聲干擾的因素，而CAN總線的特性恰恰解決了這一問(wèn)題，它能夠適應(yīng)這種高噪聲的惡劣環(huán)境。4）具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過(guò)CAN 控制器掛到CANBus上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)。這一點(diǎn)和前面的第一點(diǎn)是有所聯(lián)系的，在多主式的通信過(guò)程中處理好各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級(jí)以及數(shù)據(jù)的仲裁是十分關(guān)鍵的一步，CAN總線提供了這么好的一個(gè)管理“平臺(tái)”。5）可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制，發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)。這一特點(diǎn)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约巴话l(fā)錯(cuò)誤的處理能力。數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^(guò)程中可能存在著幀信息丟失之類的問(wèn)題，這就需要一個(gè)很好的解決方案來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，CAN總線的管理在數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中可以做到很好的錯(cuò)誤檢測(cè)以及通過(guò)數(shù)據(jù)重發(fā)來(lái)保證有效性。6）節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能。這樣就保證了系統(tǒng)在出錯(cuò)的情況下運(yùn)行而導(dǎo)致的系統(tǒng)損壞。7）報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來(lái)指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息。這種報(bào)文格式優(yōu)化了幀信息的結(jié)構(gòu)，不必象串口通信那樣在報(bào)文中必須包含目的節(jié)點(diǎn)以及源節(jié)點(diǎn)的地址信息[2]。 CAN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(gè)層次，分別對(duì)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21所示。表21 CAN總線協(xié)議層次結(jié)構(gòu)協(xié)議層對(duì)應(yīng)OSI模型說(shuō)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(wèn)控制子層，用于控制幀結(jié)構(gòu)、仲裁、錯(cuò)誤界定等數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w實(shí)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(shí)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(gè)子層。其中LLC層接收MAC層傳遞的報(bào)文，主要完成報(bào)文濾波、過(guò)載通知以及恢復(fù)管理等工作。而MAC層則為數(shù)據(jù)報(bào)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(cuò)誤檢測(cè)、出錯(cuò)界定、報(bào)文收發(fā)控制等工作。物理層定義了信號(hào)如何實(shí)現(xiàn)傳輸，因此涉及到位時(shí)間、位編碼、同步的解釋，CAN總線協(xié)議并未對(duì)物理層部分進(jìn)行具體的規(guī)定[4]。 CAN總線報(bào)文幀格式CAN總線報(bào)文的幀格式有兩種，不同之處為標(biāo)識(shí)符域的長(zhǎng)度不同：含有11位標(biāo)識(shí)符的幀稱之為標(biāo)準(zhǔn)幀，而含有29位標(biāo)識(shí)符的幀為擴(kuò)展幀。 CAN總線報(bào)文傳輸結(jié)構(gòu)報(bào)文傳輸由以下4個(gè)不同的幀類型所表示。1）數(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(gè)不同的位場(chǎng)組成：幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、CRC場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)、幀結(jié)尾。數(shù)據(jù)場(chǎng)的長(zhǎng)度可以為0。數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）通過(guò)幀間空間與前述的各幀分開(kāi)。2）遠(yuǎn)程幀：總線單元發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請(qǐng)求發(fā)送具有同一識(shí)別符的數(shù)據(jù)幀。遠(yuǎn)程幀由6個(gè)不同的位場(chǎng)組成：幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、CRC場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)、幀末尾。通過(guò)發(fā)送遠(yuǎn)程幀，作為某數(shù)據(jù)接收器的站通過(guò)其資源節(jié)點(diǎn)對(duì)不同的數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行初始化設(shè)置。3）錯(cuò)誤幀：任何單元檢測(cè)到總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀。錯(cuò)誤幀由兩個(gè)不同的場(chǎng)組成。第一個(gè)場(chǎng)用作為不同站提供的錯(cuò)誤標(biāo)志（ERROR FLAG）的疊加。第二個(gè)場(chǎng)是錯(cuò)誤界定符。為了能正確地終止錯(cuò)誤幀，“錯(cuò)誤被動(dòng)”的節(jié)點(diǎn)要求總線至少有長(zhǎng)度為3個(gè)位時(shí)間的總線空閑（如果“錯(cuò)誤被動(dòng)”的接收器有本地錯(cuò)誤的話）。因此，總線的載荷不應(yīng)為100%。有兩種形式的錯(cuò)誤標(biāo)志，主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志（Active error flag）和被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志（Passive error flag）。4）過(guò)載幀：過(guò)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(shí)。過(guò)載幀包括兩個(gè)位場(chǎng)：過(guò)載標(biāo)志和過(guò)載界定符。有兩種過(guò)載條件都會(huì)導(dǎo)致過(guò)載標(biāo)志的傳送：（1）接收器的內(nèi)部條件（此接收器對(duì)于下一數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀需要有一延時(shí)）；（2）間歇場(chǎng)期間檢測(cè)到一“顯性”位。由過(guò)載條件1而引發(fā)的過(guò)載幀只允許起始于所期望的間歇場(chǎng)的第一個(gè)位時(shí)間開(kāi)始。而由過(guò)載條件2引發(fā)的過(guò)載幀應(yīng)起始于所檢測(cè)到“顯性”位之后的位。 CAN總線錯(cuò)誤處理1）錯(cuò)誤檢測(cè)有以下5種不同的錯(cuò)誤類型（這5種錯(cuò)誤不會(huì)相互排斥）。（1）位錯(cuò)誤（Bit Error）。單元在發(fā)送位的同時(shí)也對(duì)總線進(jìn)行監(jiān)視。如果所發(fā)送的位值與所監(jiān)視的位值不相符合，則在此位時(shí)間里檢測(cè)到一個(gè)位錯(cuò)誤。但是在仲裁場(chǎng)（ARBITRATION FIELD）的填充位流期間或應(yīng)答間隙（ACK SLOT）發(fā)送一“隱性”位的情況是例外的。此時(shí)，當(dāng)監(jiān)視到一“顯性”位時(shí)，不會(huì)發(fā)出位錯(cuò)誤。當(dāng)發(fā)送器發(fā)送一個(gè)被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志但檢測(cè)到“顯性”位時(shí)，也不視為位錯(cuò)誤。（2）填充錯(cuò)誤（Struff Error）。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(gè)連續(xù)相同的位電平時(shí)，將檢測(cè)到一個(gè)填充錯(cuò)誤。（3）CRC錯(cuò)誤（CRC Error）。CRC序列包括發(fā)送器的CRC計(jì)算結(jié)果。接收器計(jì)算CRC的方法與發(fā)送器相同。如果計(jì)算結(jié)果與接收到CRC序列的結(jié)果不相符，則檢測(cè)到一個(gè)CRC錯(cuò)誤。（4）形式錯(cuò)誤（Form Error）。當(dāng)一個(gè)固定形式的位場(chǎng)含有1個(gè)或多個(gè)非法位，則檢測(cè)到一個(gè)形式錯(cuò)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(cuò)誤)（5）應(yīng)答錯(cuò)誤（Acknowledgment Error）。只要在應(yīng)答間隙（ACK SLOT）期間所監(jiān)視的位不為“顯性”，則發(fā)送器會(huì)檢測(cè)到一個(gè)應(yīng)答錯(cuò)誤。2）錯(cuò)誤信號(hào)的發(fā)出檢測(cè)到錯(cuò)誤條件的站通過(guò)發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志指示錯(cuò)誤。對(duì)于“錯(cuò)誤主動(dòng)”的節(jié)點(diǎn)，錯(cuò)誤信息為“主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”，對(duì)于“錯(cuò)誤被動(dòng)”的節(jié)點(diǎn)，錯(cuò)誤信息為“被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”。站檢測(cè)到無(wú)論是位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、形式錯(cuò)誤，還是應(yīng)答錯(cuò)誤，這個(gè)站會(huì)在下一位時(shí)發(fā)出錯(cuò)誤標(biāo)志信息。只要檢測(cè)到的錯(cuò)誤的條件是CRC錯(cuò)誤，錯(cuò)誤標(biāo)志的發(fā)送開(kāi)始于ACK界定符之后的位（其他的錯(cuò)誤條件除外）[5]。第三章 元器件選型及特性分析第三章 元器件選型及特性分析 系統(tǒng)元器件選型分析由于系統(tǒng)的總線已經(jīng)確定，是針對(duì)總線的轉(zhuǎn)換。所以這里系統(tǒng)方案的選型則主要是元器件的選擇，選擇合適的元器件有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的便利性以及穩(wěn)定性。 單片機(jī)選型待選的單片機(jī)主要有三種：STC89C52，STC12C5410AD以及AT89S52。1）STC89C52STC89C52是一款基于51內(nèi)核的51系列單片機(jī)，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。在使用的過(guò)程中采用ISP（在系統(tǒng)可編程），無(wú)需專用的編程器，可通過(guò)串口（、）直接下載用戶程序，大大的方便了系統(tǒng)程序的調(diào)試。另外STC89C52價(jià)格低廉，可多次重復(fù)擦寫使用，具有很高的性價(jià)比。2）STC12C5410ADSTC12C5410AD與STC89C52相比，其主要增加了SPI同步通信接口，可以更為方便的實(shí)現(xiàn)SPI通信，但是其只有232三種引腳封裝，無(wú)讀寫時(shí)序控制引腳。3）AT89S52AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。但是AT89S52在使用的過(guò)程中需要使用的專用編程器下載用戶程序，這一點(diǎn)會(huì)增加設(shè)計(jì)的工作量。綜合以上三種單片的特性，最終選擇STC89C52作為系統(tǒng)的控制芯片，其外部擴(kuò)展資源比較豐富，與AT89S52相比不需專用的編程器下載用戶程序，大大的方便系統(tǒng)程序的調(diào)試，低廉的價(jià)格使其具有更高的性價(jià)比。雖然其不具有SPI同步通信接口，但是可以通過(guò)軟件模擬實(shí)現(xiàn)SPI協(xié)議的同步通信。 CAN總線控制器芯片選型CAN就是總線型結(jié)構(gòu)的一種適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層是保證通信質(zhì)量至關(guān)重要、不可或缺的部分，也是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中最復(fù)雜的部分。CAN控制器就是扮演這個(gè)角色，它是以一塊可編程芯片上的邏輯電路的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能，對(duì)外它提供了與微處理器的物理線路的接口。通過(guò)對(duì)它的編程，MCU可以設(shè)置它的工作方式，控制它的工作狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，把應(yīng)用層建立在它的基礎(chǔ)上。目前，一些知名的半導(dǎo)體廠家都生產(chǎn)CAN控制器芯片。其類型一種是獨(dú)立的，一種是和微處理器做在一起的。前者使用上比較靈活，它可以與多種類型的單片機(jī)的各類標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行接口組合。后者在許多特定情況下，使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化和緊湊，效率提高。在本課題的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，針對(duì)單片機(jī)的選型，CAN總線控制器芯片選用獨(dú)立的控制芯片。SJA1000是一款我們比較熟悉的CAN總線控制器芯片，其在我國(guó)市面上容易購(gòu)買，其具有高的性能，容易掌握，價(jià)格也比較便宜。綜合考慮，最終選擇SJA1000作為CAN總線的控制器芯片[5]。 CAN總線驅(qū)動(dòng)器選型CAN總線驅(qū)動(dòng)器提供了CAN控制器與物理總線之間的接口，是影響系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素之一。PCA82C250是一款CAN協(xié)議控制器，該器件對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力并對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力。其內(nèi)部具有限流電路，可以防止發(fā)送輸出級(jí)對(duì)電源、地或負(fù)載短路。另外利用PCA82C250還可以方便地在CAN控制器與驅(qū)動(dòng)器之間建立光電隔離，以實(shí)現(xiàn)總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。這是全世界使用最廣泛的CAN收發(fā)器，因此其更易于掌握。TJA1050是PHILIPS公司生產(chǎn)的、用以替代PCA82C250的高速CAN總線驅(qū)動(dòng)器，其除了具有PCA82C250的主要特性以外，在某些方面還做了很大的改善。但是其不提供待機(jī)模式。綜合考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本以及性能問(wèn)題，最終選擇PCA82C250作為CAN總線驅(qū)動(dòng)器，其具有的功能特性足以為我們使用，而其又具有更高的性價(jià)比，同時(shí)關(guān)于PCA82C250的資料比較齊全，更利于我們掌握。 系統(tǒng)元器件特性分析 STC89C52特性分析STC89C52是一款低功耗、高性能CMOS8位微處理器，具有8K在系統(tǒng)可編程FLASH存儲(chǔ)器。使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造