【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有可靠性高、成本低、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)際上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用 。 CAN 總線 主要應(yīng)用領(lǐng)域有：汽車制造、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)、分散性 I/O、工具機(jī)床等。 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線具有以下特點(diǎn) ： 首先， CAN 總線協(xié)議廢除了傳 統(tǒng)的站地址編碼，采用了對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼的方式，這種方法可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，但在 實(shí)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 。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，即可定義211 或 229 個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊。這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，可以使不同的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)， 容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu) ，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。 CAN 總線采用多主競(jìng)爭(zhēng)的工作方式和非破壞性總線仲裁技術(shù)，總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn) 同時(shí)向總線發(fā)信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)較高的節(jié)點(diǎn)不受影響，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況。CAN 總線通信格式采用短幀格式，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯(cuò)效果。每幀中數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)最多為 8 個(gè)， 可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令 、 工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)， 8 個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。 其次， CAN 總線通過(guò) CAN 控制器接口芯片 PCA82C250 的兩個(gè)輸出端 CANH 和CANL 與物理總線相連，而 CANH 端的狀態(tài)只能 是高電平或懸浮狀態(tài)， CANL 端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會(huì)出現(xiàn) ，像 在 RS485 網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)系統(tǒng) 發(fā)生 錯(cuò)誤，出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。而且 CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響，因而具有很高的可靠性。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 第二章 總體 方案 闡述 系統(tǒng)總體 框架設(shè)計(jì) 基于 CAN 總線的信息監(jiān)控系統(tǒng)的 總體設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)上分為三個(gè)部分：企業(yè)級(jí)信息站、工程師站、智能節(jié)點(diǎn)部分 。 總體方案如 圖 所示： C A N 收 發(fā) 器光 電 隔 離 器C A N 控 制 器單片機(jī)溫 度 傳 感 器L E D顯 示報(bào) 警鍵 盤(pán)報(bào) 警鍵 盤(pán)L E D顯 示A T M E GA 8 LP C A 8 2 C 5 1光 電 隔 離 器S J A 1 0 0 0A D 5 9 0C A N 收 發(fā) 器上 位 機(jī) C A N 總 線濕 度 傳 感 器濕 敏 電 阻C A N 控 制 器單 片 機(jī)局 域 網(wǎng)P C 機(jī)P C 機(jī)R S 2 3 2 圖 總體方案 結(jié)構(gòu) 圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 設(shè)計(jì)方案說(shuō)明 硬件部分 的 設(shè)計(jì) 說(shuō)明 總體硬件包括從單片機(jī)系統(tǒng)、 CAN 模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)、 CANRS232 信號(hào)轉(zhuǎn)換部分、 上位 機(jī)等。 單片機(jī)系統(tǒng)，即 智能節(jié)點(diǎn)由單片機(jī) (ATMEGA8L，包含 AD轉(zhuǎn)換、看門(mén)狗等 )、鍵盤(pán)、LED 顯示、 CAN 總線接口等組成。數(shù)據(jù)采集 采用自行設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng) ，包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)初步處理與顯示，鍵盤(pán)模塊，通信 模塊等 。 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控 PC 機(jī)分別通過(guò) CAN 接口模塊連接到 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)上，采用雙絞線通信，雙絞線的兩頭各接一個(gè) 120Ω的 匹配電阻避免信號(hào)反射。 上位 機(jī)通過(guò)串行口與 CANRS232 轉(zhuǎn)接卡相連， 并通過(guò) CAN 總線與 CAN 節(jié)點(diǎn)通信。 軟件部分 的設(shè)計(jì) 說(shuō)明 上位機(jī) 的監(jiān)控 軟件采用 LabVIEW 編寫(xiě)，其功能是建立友好的人機(jī)交互界面；完成與智能節(jié)點(diǎn)的 數(shù)據(jù)通信，并 將采集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)以曲線、表格 的形式顯示出來(lái)，也可以 查詢歷史數(shù)據(jù) 。當(dāng)被測(cè)量超限時(shí)，可以進(jìn)行聲光報(bào)警，以引起操作人員的注意 ，采取適當(dāng)措施， 并且 監(jiān)控人員可以對(duì)下位機(jī)的部分參數(shù)進(jìn)行修改； 下位機(jī) 的參數(shù)改動(dòng)的時(shí)候 ，也可以上傳到上位機(jī)，使上位機(jī)和下位機(jī)的參數(shù)同步。 CANRS232 信號(hào)轉(zhuǎn)接卡的軟件采用 C51 編寫(xiě)，它主要是完成 CAN 到串行口數(shù)據(jù)格式的雙向轉(zhuǎn)換，并完成數(shù)據(jù)收發(fā)的功能。 智能節(jié)點(diǎn)部分由于采用 ATMEGA8L 單片機(jī)，采用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)程序， 它需要完成的功能有：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、 CAN 通信等。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 第三章 CANRS232 通信 轉(zhuǎn)換模塊 的設(shè)計(jì) CANRS232 的通信 轉(zhuǎn)換原理 上位機(jī)通過(guò) CANRS232 通信 轉(zhuǎn)接卡連接到 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)上。通信 轉(zhuǎn)接卡 具有 CAN總線接口和 RS232C 接口，上位機(jī)通過(guò) RS232C 接口和 通信 轉(zhuǎn)接卡 連接， 通信 轉(zhuǎn)接卡 通過(guò) CAN 總線接口連接到 CAN 總線網(wǎng) 絡(luò)上 。 通信 轉(zhuǎn)接卡 接口 如圖 所示： 上位機(jī)串 行 接 口 C A N 接 口單片機(jī)C A N總 線 圖 硬件接口框圖 轉(zhuǎn)接卡中的 微處理器 對(duì) 接收的串口數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后提取出數(shù)據(jù)字節(jié) ，通過(guò)增加幀 信息、幀類型、字節(jié)長(zhǎng)度和標(biāo)識(shí)符等生成 CAN 報(bào)文格式，然后由 CAN 控制器的發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送出去；在 CAN 中斷程序中，微處理器對(duì)接收的有效 CAN 報(bào)文進(jìn)行解析，提取出字節(jié)長(zhǎng)度和字節(jié)內(nèi)容，通過(guò)增加數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)尾和校驗(yàn)轉(zhuǎn)換為 RS232 通信格式，完成數(shù)據(jù)傳輸。 通信轉(zhuǎn)接卡的主要原理如 圖 所示： C A N收 發(fā)器C A N控 制器單 片 機(jī)串行接口電平轉(zhuǎn)換R S 2 3 2C A N 圖 通信轉(zhuǎn)接卡的原理圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） CANRS232 相關(guān)芯片介紹 本設(shè)計(jì)采用 SJA1000 作為 CAN 總線控制器， PCA82C251 作為 CAN 總線收發(fā)器，MAX232 作為串行接口芯片 ， 具體 芯片 介紹見(jiàn)下文 。 CAN 總線控制器 SJA1000 SJA1000 是一種獨(dú)立的 CAN 控制器，用于汽車和一般的工業(yè)環(huán)境中的局域網(wǎng)絡(luò)控制。它是 PHILIPS 公司的 PCA82C200 CAN 控制器（ BacisCAN）的替代產(chǎn)品， 而且它增加了一種新的工作模式（ PeliCAN），這種模式支持具有很多新特點(diǎn)的 協(xié)議，SJA1000 具有如下特性： ①． 和 PCA82C200 獨(dú)立 CAN 控制器引腳和電氣兼容。 ② ．具有 PCA82C200 模式（即默認(rèn)的 BasicCAN 模式）。 ③ ．?dāng)U展的接收緩沖器（ 64 字節(jié)、先進(jìn)先出 FIFO）。 ④ ．和 協(xié)議兼容（ PCA82C200 兼容 CAN 模式中的無(wú)源擴(kuò)展幀）。 ⑤ ．同時(shí)支持 11 位和 29 位表示符。 ⑥ ．位速率可達(dá) 1Mbits/s。 ⑦ ．具有 PeliCAN 模式。 ⑧ ．可以和不同微處理器的接口。 ⑨ ．可編程的 CAN 輸出驅(qū)動(dòng)器配置。 圖 SJA1000 芯片引腳圖 CAN 總線收發(fā)器 PCA82C251 PCA82C251 是 CAN 控制器和物理總線之間的接口。它對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì) CAN 控制器提供差動(dòng)接收能力，可以在汽車和一般的工業(yè)應(yīng)用上使用。 PCA82C251驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部具有限流電路，可防止發(fā)送輸出級(jí)對(duì)電源的正端或負(fù)端短AD 0AD 3AD 5AD 7/ RD/ WR/ RSTAD 6AD 4AD 2AD 1ALE / AS/ INT/ CSTX 0RX 0RX 1MO DETX 1 VSS 3VSS 2VSS 1VDD 1VDD 3VDD 217654328141312111092822232425262721151617181920XTAL 1XTAL 2CLKO UT內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 路。雖然在這種故障條件出現(xiàn)時(shí)，功耗將增加，但這種特性可以阻止發(fā)送器輸出級(jí)的破壞。在節(jié)點(diǎn)溫度大約超過(guò) 160℃時(shí)，兩個(gè)發(fā)送器輸出端的極限電 流將減少。由于發(fā)送器是功耗的主要部分，因此芯片溫度會(huì)迅速降低。 IC的其他所有部分將繼續(xù)工作。因此，當(dāng)總線短路時(shí)，熱保護(hù)十分重要。 PCA82C251采用雙線差分驅(qū)動(dòng)，也有助于抑制汽車等惡劣電氣環(huán)境下的瞬變干擾。 PCA82C251 收發(fā)器的主要特點(diǎn)如下： ① ． 完全符合和“ ISO11898”標(biāo)準(zhǔn)。 ② ． 高速率（最高達(dá) 1Mbps）。 ③ ． 具有抗汽車環(huán)境中的瞬間干擾，保護(hù)總線能力。 ④ ． 斜率控制，降低射頻干擾（ RFI）。 ⑤ ． 差分接收器，抗寬范圍的共模干擾，抗電磁干擾（ EMI）。 ⑥ ． 熱保護(hù)。 ⑦ ． 防止電池和地之間 的發(fā)生短路。 ⑧ ． 低電流待機(jī)模式。 ⑨ ． 未上電的節(jié)點(diǎn)對(duì)總線無(wú)影響。 圖 PCA82C251芯片引腳圖 ⑩ ． 可連接 110 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 電平轉(zhuǎn)換器件 MAX232 MAX232 芯片是美信公司專門(mén)為電腦的 RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路 ,使用 +5v單電源供電。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)部分： 第一部分是電荷泵電路。由 6 腳和 4 只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生 +12V和 12V 兩個(gè)電源，提供給 RS232 串口電平的需要。 CANHVC CR XDT XDGN D CANLVR EFRs14328567內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由 1 1 1 14 腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。 其中 13 腳（ R1IN）、 12 腳（ R1OUT）、 11腳（ T1IN）、 14 腳（ T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。 8 腳（ R2IN）、 9 腳（ R2OUT）、 10 腳（ T2IN）、7 腳（ T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)從 T1IN、 T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 圖 MAX232 芯片圖 RS232 數(shù)據(jù)從 T1OUT、 T2OUT 送到電腦 DB9 插 頭； DB9 插頭的 RS232 數(shù)據(jù)從 R1IN、 R2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)后從 R1OUT、R2OUT 輸出。 第三部分是供電。 15 腳 GND、 16 腳 Vcc（ +5V）。 CANRS232 硬件 電路設(shè)計(jì) RS232 作為標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)串行接口已被廣泛使用，與此同時(shí)，隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的飛速發(fā)展，具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)的 CAN 總線在測(cè)控系統(tǒng)中也越來(lái)越多地被采用，但由于兩者的總線結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議及傳輸特點(diǎn)各不相同，因而給不同設(shè)備之間的連接帶來(lái)諸多不便。因此，如何以最簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn) CAN 節(jié)點(diǎn)與 RS232 串行口的通信就成為工程實(shí)踐中一個(gè)不可回避的問(wèn)題。 文中 采 用 不具備 CAN 通信 能力的 AT89S52 單片機(jī)作為微處理器，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單、實(shí)用的通信轉(zhuǎn)換模塊。該通信轉(zhuǎn)換模塊具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性好、使用方便等特點(diǎn)。 下面將 CAN 接口 部分 的電路 和串 行接 口部分 的電路分成兩部分進(jìn)行 討論 。 CAN 接口 部分電路設(shè)計(jì) CAN 通信 模塊采用 Atmel 公司生產(chǎn)的 AT89S52 型單片機(jī)作為微處理器， SJA1000MAX 23214328765910111213141516C 1 +V +C 1 C 2 +C 2 V t 2 outr 2 invccgndt 1 outr 1 inr 1 outt 1 int 2 inr 2 out內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 和 PCA82C251 分別作為 CAN 控制器和驅(qū)動(dòng)器 。 CAN 接口 硬件電路如圖 所示 ： A D 023A D 124A D 225A D 326A D 427A D 528A D 61A D 72C L K O U T7R S T17RD5WR6A L E3I N T16V D D 122V D D 218V D D 312