導語：接口電路轉換設計管理論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

引言

現場總線是安裝在生產過程區域的現場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統之間的一種串行數字式多點雙向通信的數據總線，多用于工空等領域，應用現場總線技術不僅可以降低系統的布線成本，還具有設計簡單、調試方便等優點，同時，由于現場總線本身還提供了靈活而又功能強大的協議，這就使得用戶對系統配置，設備選型具有強大的自主權，可以任意組合多種功能模塊擴充系統的功能。在眾多的現場工業總線中，CAN總線是一種具有國際標準而且性能價格比又較高的現場總線，它在當今自動控制領域中的應用極為廣泛，并發揮著重要的作用。一個由CAN總線構成的單一網絡中，理論上可以掛接無數個節點。實際應用中，節點數目受網絡硬件的電氣特性所限制。CAN可提供高達1Mbit/s的數據傳輸速率，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了CAN的抗電磁干擾能力。

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

實際中，許多設備是RS-232接口，為了實現CAN總線數據和RS-232接口設備數據的傳輸，設計完成了CAN總線與RS-232轉換接口電路設計。

1.CAN總線協議分析

1.1CAN總線主要特點

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到1Mbit/s，是一種十分優秀的現場工業總線。CAN總線具有如下特點：

結構簡單，只有2根線與外部相連，且內部集成錯誤探測和管理模塊。

通信方式靈活。可以多主方式工作，網絡上的其他節點發送信息，而不分主從。

可以點對點、點對多點或者全局廣播方式發送和接收數據。

網絡上的節點信息可分成不同的優先級，以滿足不同的實時要求。

CAN總線通信格式采用短幀格式，每幀字節最多為8個，可滿足通常工業領域中控制命令、工作狀態及測試數據的一般要求。同時，8字節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。當兩個節點同時向總線上發送數據時，優先級低的節點主動停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響地繼續傳送數據。這大大的節省了總線仲裁沖突的時間，雜網絡負載很重的情況下也不會出現網絡癱瘓。

直接通信距離最大可達10Km（速率5Kbit/s以下），最高通信速率可達1Mbit/s（此時距離最長為40Km），節點數可達110個，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。

CAN總線通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢測、優先級判別等多項工作。

CAN總線采用CRC進行數據檢測并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。

1.2CAN總線協議

CAN總線協議主要描述設備之間的信息傳遞方式，從結構上可分成3個層次，分別對應OSI網絡模型的最低兩層數據鏈路層和物理層。CAN總線協議層次結構由高到低如表1-1所示。

表1-1CAN總線協議層次結構

協議層

對應OSI模型

說明

LLC

數據鏈路層

邏輯鏈路控制子層，用于為鏈路中的數據傳輸提供上層控制手段

MAC

媒體訪問控制子層，用于控制幀結構、仲裁、錯誤界定等數據傳輸的具體實現

物理層

物理層

物理層的作用是在不同節點之間根據所有的電氣屬性進行位的實際傳輸

LLC層和MAC層也可以看作是CAN總線數據鏈路層的兩個子層。其中LLC層接收MAC層傳遞的報文，主要完成報文濾波、過載通知以及恢復管理等工作。而MAC層則為數據報文的傳輸進行具體的控制，包括幀結構控制、總線仲裁、錯誤檢測、出錯界定、報文收發控制等工作。

物理層定義了信號是如何實際傳輸的，因此涉及到位時間、位編碼、同步的解釋，CAN總線協議并未對物理層部分進行具體的規定。

1.3CAN總線報文傳輸結構

報文傳輸由以下4個不同的幀類型所表示

1．數據幀：數據幀攜帶數據從發送器至接收器。

數據幀由7個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、數據場、CRC場、應答場、幀結尾。數據場的長度可以為0。數據幀（或遠程幀）通過幀間空間與前述的各幀分開。

2．遠程幀：總線單元發出遠程幀，請求發送具有同一識別符的數據幀。

遠程幀由6個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應答場、幀末尾。通過發送遠程幀，作為某數據接收器的站通過其資源節點對不同的數據傳送進行初始化設置。

3．錯誤幀：任何單元檢測到總線錯誤就發出錯誤幀。

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，總線的載荷不應為100%。有兩種形式的錯誤標志，主動錯誤標志（Activeerrorflag）和被動錯誤標志（Passiveerrorflag）。

4．過載幀：過載幀用以在先行的和后續的數據幀（或遠程幀）之間提供一附加的延時。

過載幀包括兩個位場：過載標志和過載界定符。

有兩種過載條件都會導致過載標志的傳送：

（1）接收器的內部條件（此接收器對于下一數據幀或遠程幀需要有一延時）。

（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引發的過載幀應起始于所檢測到"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）

單元在發送位的同時也對總線進行監視。如果所發送的位值與所監視的位值不相合，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答間隙（ACKSLOT）發送一"隱性"位的情況是例外的。此時，當監視到一"顯性"位時，不會發出位錯誤。當發送器發送一個被動錯誤標志但檢測到"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行編碼的信息中，出現了第6個連續相同的位電平時，將檢測到一個填充錯誤。

3．CRC錯誤（CRCError）

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

4．形式錯誤（FormError）

當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作幀錯誤)

5．應答錯誤（AcknowledgmentError）

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

1.4.2錯誤標定

檢測到錯誤條件的站通過發送錯誤標志指示錯誤。對于"錯誤主動"的節點，錯誤信息為"主動錯誤標志"，對于"錯誤被動"的節點，錯誤信息為"被動錯誤標志"。站檢測到無論是位錯誤、填充錯誤、形式錯誤，還是應答錯誤，這個站會在下一位時發出錯誤標志信息。只要檢測到的錯誤的條件是CRC錯誤，錯誤標志的發送開始于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節點結構與SJA1000操作模式

SJA1000獨立的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模式是上電后默認的操作模式。因此用PCA82C200開發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規范的幀類型。而且它還提供一些增強功能，例如，SJA1000支持一些錯誤分析功能，支持系統診斷、系統維護和系統優化，而且這個模式里也加入了對一般CPU的支持和系統自身測試的功能。使SJA1000能應用于更寬的領域。

本設計采用PeliCAN模式，因此只給出PeliCAN模式增強功能。如表2-1所示。

表2-1PeliCAN模式的增強功能

CAN2.0B(active)

CAN2.0Bactive支持帶有29位標識符的網絡擴展應用

發送緩沖器

有11位或29位標識符的報文的單報文發送緩沖器

增強的驗收濾波器

兩個驗收濾波器模式支持11位和29位標識符的濾波

可讀的錯誤計數器

支持錯誤分析在原型階段和在正常操作期間可用于：診斷、系統維護、系統優化

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

支持系統優化包括報文延遲時間的分析

單次發送

使軟件命令最小化和允許快速重載發送緩沖器

僅聽模式

SJA1000能夠作為一個認可的CAN監控器操作，可以分析CAN總線通信或進行自動位速率檢測

自測試模式

支持全部CAN節點的功能自測試或在一個系統內的自接收

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控制器執行在CAN規范里規定的完整CAN協議。它通常用于報文緩沖和驗收濾波。

通用CAN收發器實現從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，它負責執行應用層的功能。

元器件清單

表3-3CAN總線與RS-2232接口電路設計元氣件清單

序號

元件名稱

數量（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

結論

本設計完成了CAN總線與RS-232轉換接口設計。由于CAN總線與RS-232接口數據通信速率以及通信幀格式都不同，本設計最大優點是解決了這兩點不同，實現了數據在CAN總線與RS-232接口之間的傳輸。且設計中由于使用了CAN總線進行數據傳輸這就使得通信方式多主性。網絡上任意節點可以任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息而不分主從。可以點對點，點對多點或全局廣播方式發送和接收數據。

由于CAN總線標準沒有定義應用層，數據鏈路層提供與信息內容相應的尋址能力，消息的內容完全由應用解釋。且CAN總線的每個數據幀最多只能承載8個字節的數據，因而只適應提供短的變量服務。許多功能還需要擴展。

綜上所述，通過此次設計，我們感受到CAN總線帶來的各種便利。而且，由于CAN總線具有結構簡單、實時性極高、可靠性強且本身具有強大的糾錯能力。使得它在當今自動控制領域中的應用極為廣泛。由于CAN協議參考OSI開放系統互聯模型，可由用戶定義應用層協議，通過相關的CAN轉接設備，將CAN與計算機相連，利用CAN232B轉換器組建一個CAN控制網絡，能夠很方便的實現RS-232多點組網、遠程通訊，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用領域，使系統設計達到更先進的水平。

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

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

引言1

1.CAN總線協議分析2

1.1CAN總線主要特點2

1.2CAN總線協議2

1.3CAN總線報文傳輸結構3

1.4CAN總線錯誤處理3

1.4.1錯誤檢測3

1.4.2錯誤標定4

2.CAN控制器SJA1000分析5

2.1CAN節點結構與SJA1000操作模式5

2.2SJA1000內部結構及其功能分析6

3.CAN總線與RS-232轉換接口電路設計11

3.1CAN總線與RS-232轉換接口電路總體設計11

3.2主控制模塊電路設計12

3.2.1AT89C51與6116電路設計13

3.2.2看門狗電路設計14

3.3AT89C51與RS-232轉換接口電路設計16

3.3.1RS-232-C標準分析16

3.3.2RS-232與AT89C51接口電路設計18

3.4SJA1000與AT89C51接口電路設計19

3.4.1SJA1000與AT89C51接口電路設計19

3.4.2物理層接口電路設計21

3.5元器件清單22

結論22

致謝24

參考文獻25