【DQ031】CAN总线与RS-232转换接口电路设计[论文类]
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【DQ031】CAN总线与RS-232转换接口电路设计[论文类],dq031,can,总线,rs,转换,接口,电路设计,论文
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石家庄经济学院本科生毕业设计 0 摘要 . . . 引言 . 1 1. 线协议分析 . 2 线主要特点 . 2 线协议 . 2 线报文传输结构 . 3 线错误处理 . 3 误检测 . 3 误标定 . 4 2. 制器 析 . 5 点结构与 作模式 . 5 部结构及其功能分析 . 6 3. 线与 换接口电路设计 . 11 线与 换接口电路总体设计 . 11 控制模块电路设计 . 12 6116 电路设计 . 13 门狗电路设计 . 14 换接口电路设计 . 16 准分析 . 16 口电路设计 . 18 口电路设计 . 19 口电路设计 . 19 物理层接口电路设计 . 21 器件清单 . 22 结论 . 22 致 谢 . 24 参考文献 . 25 石家庄经济学院本科生毕业设计 1 引言 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备 /仪表与控制室内的自动控制装置 /系统之间的一种串行数字式多点双向通信的数据总线，多用于工空等领域，应用现场总线技术不仅可以降低系统的布线成本，还具有设计简单、调试方便等优点，同时，由于现场总线本身还提供了灵活而又功能强大的协议，这就使得用户对系统配置，设备选型具有强大的自主权，可以任意组合多种 功能模块扩充系统的功能。在众多的现场工业总线中， 在当今自动控制领域中的应用极为广泛，并发挥着重要的作用。 一个由 论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。 使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了 对层的定义与开放系统互连模型(致。每一层与另一设备上 相同的那一层通讯。实际的通讯是发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。 据链路层和物理层。应用层通过不同的新型协议层（专门用于特殊的工业领域加上由个别 物理层连接。 物理层和数据链路层对于设计者来说是透明的，并包含在所有执行 实际中，许多设备是 了实现 计完成了 石家庄经济学院本科生毕业设计 2 1. 线协议分析 线主要特点 线是一种多主式的串行通信总线，具有极高的实时性和可靠行，最高通信速率可以达到 1s，是一种十分优秀的现场工业总线。 线具有如下特点： 结构简单，只有 2 根线与外部相连，且内部集成错误探测和管理模块。 通信方式灵活。可以多主方式工作，网络上的其他节点发送信息，而不分主从。 可以点对点、点对多点或者全局广播方式发送和接收数据。 网络上的节点信息可分成不同的优先级，以满足不同的实时要求。 线通信格式采用短帧格式，每帧字节最多为 8 个，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时， 8 字节也不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。 采用非破坏性总线仲裁技术。当两个节点同时向总线上发送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传送数据。这大大的节省了总线仲裁冲突的时间，杂网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪。 直接通信距离最大可达 10率 5s 以下），最高通信速率可达 1s（此时距离最长为 40节点数可达 110 个，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维 。 线通信接口中集成了 议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检测、优先级判别等多项工作。 线采用 行数据检测并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。 线协议 线协议主要描述设备之间的信息传递方式，从结构上可分成 3 个层次，分别对应 络模型的最低两层数据链路层和物理层。 线协议层次结构由高到低如表1示。 表 1线协议层次结构 协议层 对应 说明 据 链路层 逻辑链路控制子层，用于为链路中的数据传输提供上层控制手段 体访问控制子层，用于控制帧结构、仲裁、错误界定等数据传 输的具体实现 物理层 物理层 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的 实际传输 和 也可以看作是 线数据链路层的两个子层。其中 接收传递的报文，主要完成报文滤波、过载通知以及恢复管理等工作。而 则为数据报文的传输进行具体的控制，包括帧结构控制、总线仲裁、错误检测、出错界定、报文收发控制等工作。 物理层定义了信号 是如何实际传输的，因此涉及到位时间、位编码、同步的解释， 3 总线协议并未对物理层部分进行具体的规定。 线报文传输结构 报文传输由以下 4个不同的帧类型所表示 1 数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器。 数据帧由 7个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、 答场、帧结尾。数据场的长度可以为 0。数据帧（或远程帧）通过帧间空间与前述的各帧分开。 2 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。 远程帧由 6个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、 答场 、帧末尾。通过发送远程帧，作为某数据接收器的站通过其资源节点对不同的数据传送进行初始化设置。 3 错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 错误帧由两个不同的场组成。第一个场用作为不同站提供的错误标志（ 叠加。第二个场是错误界定符。 为了能正确地终止错误帧，“错误被动”的节点要求总线至少有长度为 3个位时间的总线空闲（如果“错误被动”的接收器有本地错误的话）。因此，总线的载荷不应为 100%。有两种形式的错误标志，主动错误标志（ 被动错误标志（ 4过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。 过载帧包括两个位场：过载标志和过载界定符。 有两种过载条件都会导致过载标志的传送： （ 1） 接收器的内部条件（此接收器对于下一数据帧或远程帧需要有一延时）。 （ 2） 间歇场期间检测到一“显性”位。 由过载条件 1 而引发的过载帧只允许起始于所期望的间歇场的第一个位时间开始。而由过载条件 2引发的过载帧应起始于所检测到“显性”位之后的位。 线错误处理 误检测 有以下 5种不同 的错误类型（这 5种错误不会相互排斥） 1 位错误（ 单元在发送位的同时也对总线进行监视。如果所发送的位值与所监视的位值不相合，则在此位时间里检测到一个位错误。但是在仲裁场（ 填充位流期间或应答间隙（ 送一“隐性”位的情况是例外的。此时，当监视到一“显性”位时，不会发出位错误。当发送器发送一个被动错误标志但检测到“显性”位时，也不视为位错误。 2 填充错误（ 如果在使用位填充法进行编码的信息中，出现了第 6个连续 相同的位电平时，将检测到一个填充错误。 3 石家庄经济学院本科生毕业设计 4 收器计算 果计算结果与接收到 检测到一个 4 形式错误（ 当一个固定形式的位场含有 1个或多个非法位，则检测到一个形式错误。 (备注：接收器的帧末尾最后一位期间的显性位不被当作帧错误 ) 5 应答错误（ 只要在应答间隙（ 间所监视的位不为“显性”，则发送器 会检测到一个应答错误。 误标定 检测到错误条件的站通过发送错误标志指示错误。对于“错误主动”的节点，错误信息为“主动错误标志”，对于“错误被动”的节点，错误信息为“被动错误标志”。站检测到无论是位错误、填充错误、形式错误，还是应答错误，这个站会在下一位时发出错误标志信息。只要检测到的错误的条件是 误标志的发送开始于 他的错误条件除外）。 石家庄经济学院本科生毕业设计 5 2. 制器 析 点结构与 作模式 个不同的操作模式： 此用 不用作任何修改。 式是新的操作模式，它能够处理所有 范的帧类型。而且它还提供一些增强功能，例如， 持一些错误分析功能，支持系统诊断、系统维护和系统优化，而且这个模式里也加入了对一般 支持和系统自身测试 的功能。 使应用于更宽的领域。 本设计采用 式，因此只给出 式增强功能。 如表 2示。 表 2持带有 29 位标识符的网络扩展应用 发送缓冲器 有 11 位或 29 位标识符的报文的单报文发送缓冲器 增强的验收滤波器 两个验收滤波器模式支持 11 位和 29 位标识符的滤波 可读的错误计数器 支持错误分析在原型阶段和在正常操作期间可用于：诊断、系统维护、系统优化 可编程的出错警告界限 错误代码捕捉寄存器 出错中断 仲裁丢失捕捉中断 支持系统优化包括报文延迟时间的分析 单次发送 使软件命令最小化和允许快速重载发送缓冲器 仅听模式 控器操作，可以分析 线通信或进行自动位速率检测 自测试模式 支持全部 点的功能自测试或在一个系统内的自接收 通常，每个 如图 2 通常用于报文缓冲和验收滤波。 通用 现 从 电气连接 。 而所有这些 负责执行应用 层 的功能。 石家庄经济学院本科生毕业设计 6 图 2部 结构及 其 功能分析 1 构 送缓冲区、接收 特流处理器、接收滤波器、定位逻辑器、错误管理逻辑、复位模块和振荡电路这几个部分组成。其内部结构和相互关系如图 2 模块控制器 制器 发器 传感器 执行器 人机接口 微处理器 51 传感器 执行器 人机接口 线 石家庄经济学院本科生毕业设计 7 图 22 8个外部引脚，芯片封装形式可以是 可以是 脚 2、 1、 2823） 这 8个引脚为 8位地址 /数据端 S（引脚 3） 引脚为 引脚为 /脚 4） 芯片片选端 /（引脚 5） 引脚为 / 该引脚为 /引脚 6） 引脚为 / 该引脚为 。 脚 7） 时钟信号输入端。该时钟频率可以由 时钟控制寄存器的 为 1，则该引脚无效。 脚 8） 逻辑地 脚 9、 10） 外部晶振接入端。 脚 11） 模式选择端。该引脚用于处理器接口的选择，当该引脚接高电平时，该引脚接低电平时， 脚 12） 输出驱动器的电源端。 脚 13、 14） 和输出端 1。 石家庄经济学院本科生毕业设计 8 脚 15） 输出驱动器的接地端。 /脚 16） 中断信号输出端。当产生事件且内部中断寄存器对应位被置位时，该引脚产生低电平，通知处理器产生外部中断，处理器可以通过查看中断事件寄存器来了解发生了何种中断。该引脚为集电极开路，因此多个 /”。 /脚 17） 芯片复位端。 脚 18） 输入比较器的电源端。 脚 19、 20） 和输入端 1。 脚 21） 输入比较器的接地端。 引脚 22） 电源端。 3 令控制 。因此 控制器和 制段）和一个 文缓冲器）完成。 于主控制器来说就象是外围器件寄存器。 表 2 注意，一些寄存器只在 制寄存器 仅在 些寄存器是只读的或只写的，还有一些只能在复位模式中访问。 表 2部寄存器的分类 使用类型 寄存器名称（符号） 寄存器地址 功能 式 式 选择不同的操作模式的要素 模式 （ 0 选择睡眠模式、验收滤波器模式、自测试模式、只听模式和复位模式 控制（ 在 式里选择复位模式 命令（ 式的睡眠模式命令 时钟分频器（ 31 31 在 置时钟信号（引脚 7）选择 较器旁路模式、 脚 14）输出模式 设定讯的要素 验收码（ 验收屏蔽（ 16 29 20 23 4 5 验收滤波器位的模式选择 总线定时寄存器0（ 总线定时 寄存器1（ 6 7 6 7 位定时参数的设置 石家庄经济学院本科生毕业设计 9 输出控制（ 8 8 输出驱动器属性的选择 命令（ 1 1 自接收、清除数据超载、释放接收缓冲器、中止传输和传输请求的命令 状态（ 2 2 报文缓冲器的状态、 中断（ 3 3 中断使能（ 4 在 式使能和禁能中断 控制（ 0 在 式使能和禁能中断事件 复杂的错误检测和分析的要素 仲裁丢失捕捉（ 11 显示仲裁丢失的位置 错误代码捕捉（ 12 显示最近一次的错误类型和位置 出错警告界限（ 13 产生出错警告中断的阀值选择 误记数（ 14 反映接收错误记数器的当前值 误记数（ 14、 15 反映发送错误计数器的当前值 文计数器（ 29 接收 冲器起始地址（ 30 显示接收缓冲器提供的报文的当前内部 信息缓冲器 发送缓冲器（ 16 28 10 19 接收缓冲器（ 16 28 20 29 （ 1）发送缓冲器 /接收缓冲器 在 个存储区叫“发送缓冲器”。从个存储区叫“接收缓冲器” ，在这些缓冲器包括 2、 3或 5个字节的标识符和帧信息（取决于模式和帧类型），而最多可以包含 8个数据字节。 在 些缓冲器是 13个字节长（见表 2 1字节帧信息 2个或 4个标识符字节（标准帧或 扩展帧） 最多 8个数据字节。 石家庄经济学院本科生毕业设计 10 表 2（读访问）和 访问 2） 表 2进制） 名称 组成和标注 16 帧信息 1位说明，如果报文包括一个标准帧或扩展帧 1位远程传输请求位 4位数据长度码，说明数据字节的数量 17， 18 标识符字节 1， 2 标准帧： 11位标识符 扩展帧： 16位标识符 19， 20 标识符字节 3， 4 仅扩展帧： 13个标识符 帧类型 标准帧： 19 26 扩展帧： 21 28 数据字节 1 8 由 数据长度码说明，最多 8个数据字节 （ 2）验收滤波器 独立的 滤波器允许自动检查标识符和数据字节。使用这些有效的滤波方法，可以防止对于某个节点无效的报文或报文组存储在接收缓冲器里。因此降低了主控制器的处理负载。 滤波器由验收码寄存器和屏蔽寄存器根据给定算法来控制。接收到的数据会和验收代码寄存器中的值进行逐位比较。接收屏蔽寄存器定义与比较相关的位的位置（ 0=相关 1=不相关）。只有收到 的 报文 相应 位与验收代码寄存器 的相应 位相同，报文才会被接收。 4个 8位的验收码寄存器（ 验收屏蔽寄存器（ 以用多种方法滤波报文。报文的哪些位用于验收滤波，取决于收到的帧（标准帧或扩展帧）和选择的滤波器模式（单滤波器或双滤波器）。对于不需要经过验收滤波的报文位（例如报文组被定义为接受），验收屏蔽寄存器必须相应的位位置上置“ 1”。 如果报文不包括数据字节（例如：是一个远程帧或者数据长度码为零）但是验收滤波包括数据字节，则如果标识符直到 文会被接收 。 石家庄经济学院本科生毕业设计 11 3. 线与 换接口电路设计 线与 换接口电路总体设计 图 3 口转换电路 图 3 线与 口转换电路图。整个转换接口电路包括：主控制模块、口转换电路和 制模块 3 个主要部分。 V+2 2 7 3 8 4 9 456 612 主控制模块处理 线以及 口的 数据通信和控制 ，利用 成两种格式数据帧的交换 ， 并对接口进行控制。 口电路由 片构成， 实现 将单片机串口的 平 与 平 的相互转换 。 要完成 其中 物理接口采用 现物理层 的电平转换和传输 。 现数据链路层协议。 控制模块电路设计 图 3控制模块 电路 图 主控制模块负责处理 及 口的 数据通信与控制 ，利用 13 两种格式数据帧的交换 ， 并对接口进行控制。 如图 3所示， 转接板主要 实现 口与 线接口之间的 数据传输 ，其运算量不大，因此选用可以有效降低成本的 为整个设计的主控制器。 供以下标准功能： 4k 字节 速存储器， 1000 次可擦写周期 ， 三级加密程序存储器 ， 128 字节内部 32 个 I/O 口线，两个 16 位定时 /计数器，一个 5 向量中断结构，一个全双工串行通信口，片内 振 荡器及时钟电路。同时， 降至 0支持两种软件的可选的节电工作模式。空闲方式停止 工作，但允许 定时 /计数器 、 窜行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 的内容，但 振 荡器停止工作并禁止所有部件工作直到下一个硬件复位。 电源使用 +5V 电源，同时其 及 接一个 关，用于设置单片机本身的地址信息。 用的晶振信号由 供（ 24片外晶振）， 脚接入 脚。 6116 电路设计 图 3116连接电路图 由于 线速率与 口速率并不相同，因此设计中还增加了片外 片 6116，用作转换双方的数据缓冲区。设计中使用 反向器连接 6116 的片选端，所以接口转换电路中的片外 起始地址实际上应为 0 过数据总线、地址总线及控制总线与存储器连接，如图 3示： 图 3外存储器原理框图 储器 地址总线 控制总线 数据总线 P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T / V P . 0 / R x . 1 / T . 2 / I N T 012P 3. 3 / I N T 113P 3. 4 / T 014P 3. 5 / T 115P 3. 6 / W . 7 / R A L 218X T A L 119. 021P 2. 122P 2. 223P 2. 324P 2. 425P 2. 526P 2. 627P 2. 728P S E E / P R O / V p . 732P 0. 633P 0. 534P 0. 435P 0. 336P 0. 237P 0. 138P 0. 039V C 89 C 5 1 0191 6H C 3 7 3石家庄经济学院本科生毕业设计 14 本设计中 选 用的是 6116。 6116 为 2的静态 逻辑图 3下： 图 3外 辑图 其中 11 根地址线 ,I/O I/ 8 根数据线， /E 为片选端，当 /E 低电平有效时才能选中芯片。 /G 为数据输出选通端， /W 为写信号端。其工作方式见表 3 表 3外数据存储器工作方式 控制信号 /E /G /W 读 0 0 1 写 0 1 0 非选通 1 门狗电路设计 一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要出让一个定时器资源，而且若系统软件运行不正常，可能导致看门狗系统也瘫痪。硬件看门狗是真正意义上的 “程序运行监视器 ”，如计数型的看门狗电路通常由 555 多谐振荡器、计数器以及一些电阻、电容等组成，分立元件组成的系统电路较为复杂，运行不够可靠 。所以本设计 使用带有 线接口的 现硬件看门狗功能 。 图 325045 芯片图 1 脚功能 / 片选择输入 串行输出，数据由此引脚逐位输出 串行输入，数据或命令由此引脚逐位写入 串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出 / 写保护输入。当它低电平时，写操作被禁止 地 电源电压 位输出 6116 10 7 /W /G /E 1 / c W I 5S C K 6R S T 7V C C 8X 2 5 0 4 5石家庄经济学院本科生毕业设计 15 2 特性 可选时间的看门狗定时器 降压检测和复位控制 5 种标准的开始复位电压 使用特定的编程顺序即可对低电压检测和复位开始电压进行编程 复位电压可低至 V 省电特性 在看门狗打开时，电源小于 50看门狗关闭时，电源小于 10读操作时，电源小于 2000000次的擦写周期 具有数据的块保护功能，可以保护 1/4、 1/2或全部的 然也可以置于不保护状态 内建防误写措施 用指令允许写操作 写保护引脚 时钟可达 的编程时间 16字节的页写模式 写时由器件内部自动完成 典型的器件写周期为 5 如图 3电复位控制、看门狗定时器、降压管理以及具有块保护功能的串行 有助于简化转换接口的设计，减少印制板的占用面积，提高可靠行。 图 325045内部结构图 该芯片内的串行 有块锁保护 行 被组织成 8 位的结构，它由一个由四线构成的 线方式进行操作，其擦写周期至少有 1000000 次，并且写好的数据能够保存 100 年。 石家庄经济学院本科生毕业设计 16 读写操作之前，需要先向它发出指令，指令名及指令格式如表 3示 。 表 3写操作指令表 指令名 指令格式 操作 0000110 设置写使能锁存器（允许写操作） 0000100 复位写使能锁存器（禁止写操作） 0000101 读状态寄存器 0000001 写状态寄存器 000开始于所选地址的寄存器中的数据读出 000数据写入开始所选地址的寄存器 4看门狗芯片 口电路设计 / c W 50 4 5P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T / V P . 0 / R . 1 / T . 2 / I N T 012P 3. 3 / I N T 113P 3. 4 / T 014P 3. 5 / T 115P 3. 6 / W . 7 / R A L 218X T A L 119. 021P 2. 122P 2. 223P 2. 324P 2. 425P 2. 526P 2. 627P 2. 728P S E E / P R O / V p . 732P 0. 633P 0. 534P 0. 435P 0. 336P 0. 237P 0. 138P 0. 039V C C 5 1 Cg 25045 与 口电路图 如图 3示， 4 个主要引脚 /别对应连接 ，这些引脚还应该连上拉电阻。 /高电平，使 终保持写保护输入状态。 片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则 从 出一个高电平信号 给其复位。 换接口电路设计 准 分析 准（协议）的全称是 准，其中 表美国电子工业协会， 代表推荐标准， 232 是标识号， C 代表 最新一次修改（ 1969），在这之前，有 它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。常用物理标准还有 0； 0； 0； 0； 里只介绍 0； 称 232， 例如，目前在 C 机上的 口，就是 1 气特性 电器特性 、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。 石家庄经济学院本科生毕业设计 17 在 ：逻辑 1(辑 0(+3 15V 在 控制
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