【正文】 L轉(zhuǎn)換。EIA RS232C是用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計算機接口或終端的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總線的特點及優(yōu)勢在上一節(jié)中已經(jīng)對CAN總線做了一個簡要的介紹，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、優(yōu)先級判別等項工作。使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制。CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識碼由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)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。CAN總線有如下基本特點：● 廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對通信數(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)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(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，數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短；● 每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境下使用；● 節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(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；● 可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接收數(shù)據(jù)。 分析以上CAN總線的特點總結(jié)得到其主要優(yōu)點有：1）廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對通信數(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)通信過程中尋址的復(fù)雜度，可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文，同時這種工作方式下避免了象單片機多機通信情況下的只能有一個主機的缺陷，這樣更有利于數(shù)據(jù)的傳輸管理。2）具有實時性強、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點。這些特點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)膶崟r性。抗干擾能力以及經(jīng)濟上的考慮CAN總線也是一個不錯的選擇。3）采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作。貨場的工作環(huán)境比較惡劣，尤其是噪聲比較大，這在初期的調(diào)研中得到或驗證，因此系統(tǒng)的設(shè)計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，多個控制模塊通過CAN 控制器掛到CANBus上，形成多主機局部網(wǎng)絡(luò)。這一點和前面的第一點是有所聯(lián)系的，在多主式的通信過程中處理好各個模塊的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級以及數(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管理“平臺”。5）可靠的錯誤處理和檢錯機制，發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)。這一特點保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约巴话l(fā)錯誤的處理能力。數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中可能存在著幀信息丟失之類的問題，這就需要一個很好的解決方案來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，CAN總線的管理在數(shù)據(jù)的傳輸過程中可以做到很好的錯誤檢測以及通過數(shù)據(jù)重發(fā)來保證有效性。6）節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能。這樣就保證了系統(tǒng)在出錯的情況下運行而導(dǎo)致的系統(tǒng)損壞。7）報文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。這種報文格式優(yōu)化了幀信息的結(jié)構(gòu)，不必象串口通信那樣在報文中必須包含目的節(jié)點以及源節(jié)點的地址信息[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21所示。表21 CAN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。物理層定義了信號如何實現(xiàn)傳輸，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[4]。 CAN總線報文幀格式CAN總線報文的幀格式有兩種，不同之處為標(biāo)識符域的長度不同：含有11位標(biāo)識符的幀稱之為標(biāo)準(zhǔn)幀，而含有29位標(biāo)識符的幀為擴展幀。 CAN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）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（ERROR FLAG）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（Active error flag）和被動錯誤標(biāo)志（Passive error flag）。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。 CAN總線錯誤處理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（Bit Error）。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)視的位值不相符合，則在此位時間里檢測到一個位錯誤。但是在仲裁場（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，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（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個連續(xù)相同的位電平時，將檢測到一個填充錯誤。（3）CRC錯誤（CRC Error）。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（Form Error）。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（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)送器會檢測到一個應(yīng)答錯誤。2）錯誤信號的發(fā)出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，錯誤信息為“主動錯誤標(biāo)志”，對于“錯誤被動”的節(jié)點，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）[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)計的便利性以及穩(wěn)定性。 單片機選型待選的單片機主要有三種：STC89C52，STC12C5410AD以及AT89S52。1）STC89C52STC89C52是一款基于51內(nèi)核的51系列單片機，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。在使用的過程中采用ISP（在系統(tǒng)可編程），無需專用的編程器，可通過串口（、）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價格低廉，可多次重復(fù)擦寫使用，具有很高的性價比。2）STC12C5410ADSTC12C5410AD與STC89C52相比，其主要增加了SPI同步通信接口，可以更為方便的實現(xiàn)SPI通信，但是其只有232三種引腳封裝，無讀寫時序控制引腳。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存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(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在使用的過程中需要使用的專用編程器下載用戶程序，這一點會增加設(shè)計的工作量。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，低廉的價格使其具有更高的性價比。雖然其不具有SPI同步通信接口，但是可以通過軟件模擬實現(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)場自動控制的計算機局域網(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角色，它是以一塊可編程芯片上的邏輯電路的組合來實現(xiàn)這些功能，對外它提供了與微處理器的物理線路的接口。通過對它的編程，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)計簡化和緊湊，效率提高。在本課題的系統(tǒng)設(shè)計中，針對單片機的選型，CAN總線控制器芯片選用獨立的控制芯片。SJA1000是一款我們比較熟悉的CAN總線控制器芯片，其在我國市面上容易購買，其具有高的性能，容易掌握，價格也比較便宜。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)動器選型CAN總線驅(qū)動器提供了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，該器件對總線提供差動發(fā)送能力并對CAN控制器提供差動接收能力。其內(nèi)部具有限流電路，可以防止發(fā)送輸出級對電源、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)動器之間建立光電隔離，以實現(xiàn)總線上各個節(jié)點間的電氣隔離。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。但是其不提供待機模式。綜合考慮系統(tǒng)設(shè)計成本以及性能問題，最終選擇PCA82C250作為CAN總線驅(qū)動器，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比，同時關(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存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造