基于CAN2.0标准的CAN-串转换通信技术研究.doc

基于CAN2.0标准的CAN-串转换通信技术研究于素梅 蔡祥宝（南京邮电大学 电子科学与工程学院，南京 210003）摘 要：现场总线是自动化领域的计算机网络，已成为当今自动化领域技术发展的热点。CAN总线是现场总线的一种，它与串口之间的通信，是通过硬件电路的电平转换，和软件设计的数据处理实现的。此方法实现了双CAN功能，提高了通信的可靠性。关键词：CAN总线；CAN设置；双CAN；串口RS232；看门狗 1 引言CAN (Controller Area Network) 总线又称控制器局域网，是Bosch公司在现代汽车技术中领先推出的一种多主机局部网。它是一种串行通信网络，支持分布式实时控制，最大传输速度可达1Mbit/s，最大传输距离为10km。CAN规范已被 ISO 国际标准组织制订为国际标准，即CAN标准，现在最常用的是2.0标准，分为2.0A和2.0B。其区别仅在通信数据位数，前者是11位的标准帧，后者是29位的扩展帧。CAN 协议建立在国际标准组织的开放系统互连参考模型基础上的，主要工作在数据链路层和物理层，用户可在其基础上开发适合系统实际需要的应用层通信协议。而串口 RS232 作为标准计算机串行接口，与 CAN 网的结构、传输特性、通信协议等都不相同，所以导致不同设备间无法进行直接通信。因此实现二者之间的直接信息流交互成为问题的关键。2 原理这里采用嵌入式芯片 STM32F103 作为主控，CAN网和串口数据的转换是通过芯片相应管脚收发数据，然后把转换后的数据发送出去的过程。此方法实现了双CAN的功能，即通过继电器切换实现两个CAN切换使用，相当于单刀双掷开关,这样增强了CAN的可靠性。2.1 CAN网切换通过芯片连接继电器的管脚拉高和拉低实现CAN网的切换，默认为低，是一路，当软件程序中写高时就会拉高，则继电器切换到另外一路，实现双CAN 的功能。2.2 CAN-串通信协议转换CAN网设置是通串口发送的数据来实现的，即芯片STM32F103根据上位机串口发来的数据，把CAN属性设置成相应的值。这样就与上位机串口设置一致，便于观察与记录。不仅美观还节省测试者的大量时间。串口RS232互连总线接口主要功能是接口模块与PC机通信。通信方式：信息以串行异步通信方式传送。传输速率：11.52kbit/s。字节发送帧结构：按发送顺序依次为1个起始位，8个信息位，1个停止位。串口发送数据步骤：先设置CAN，设置完把设置值回发给串口，串口接收到数据后表示CAN已设置完成，可以进行数据通信，然后再发送数据。当帧头为FE时表示设置CAN ，为FF时表示进行数据通信。如串口发FE F0 F1 EF FE FE EF，则设置CAN，同时会把这组数据发给串口，串口接收到这组数之后，才可以进行CAN-串转换通信。设置CAN时串口发送数据为下表一所示：此处 CAN 波特率可有十个选择（如表A），因为要实现 CAN 的正常通讯，通讯节点之间设置的波特率必须相同。所以用户可以根据自己的需要，设置自己的波特率。表 1 设置CAN的数据帧头DATA0DATA1DATA2DATA3DATA40xFE波特率设置（见表A）0xF1：CAN-1路0xF0：CAN-2路0xFE：单滤波0xEF：双滤波0xFE：只听模式0xEF：正常模式DATA5DATA6DATA70xFE：标准帧0xEF：扩展帧0xFE：远程帧0xEF：数据帧用户自定义A)波特率DATA1设置: 0xF0：5k 0xF5：125k0xF1：10k 0xF6：250k0xF2：20k 0xF7：500k0xF3：50k 0xF8：800k0xF4：100k 0xF9：1M3 软硬件设计3.1 硬件设计电原理图如下图1：G525MHZC520pFC5020pF+C5310uF/16VC54104C55104C56104+3.3V123XS5CON3+3.3VD5_BOOT0V51LEDR5031KD5_PB6123XS50CON3VCC1GND2TXD3RXD4CANH6CANL7CANG8D51CTM8251A+3.3VD5_BOOT1D5_CANTXD5_CANRX+5V+C5810uF/16VC5910nR10CANHCANLC5210n+3.3V+C5110uF/16VV5LEDR511KD5_STM32F_TXD5_STM32F_RX+3.3V+3.3V123XS508CON3+C5230.1u/16V+C5250.1u/16V+C5260.1u/16V+C5240.1u/16V+C5270.1U/16VD5_TXD232D5_RXD232C52810nC1+2C1-4C2+5C2-6T1IN11R1OUT9EN1FON12FOFF16INVALID10R1IN8T1OUT13V-7V+3VCC15GND14D52MAX3221EAE+3.3VD5_RSTGND1RESET2VCC3D54MAX809RG5132KHZC53012pFC52912pFD5_OSC32_IND5_OSC32_OUT12354ANDD55SN74AHC1G08DBVR59410K+3.3VD5_RST_CPUD5_RSTD5_RST_J+3.3V+3.3V+3.3V+3.3V+3.3VGNDGNDGNDGNDD5_CANTXD5_CANRXD5_RST_CPUD5_STM32F_TXD5_STM32F_RXD5_JTDID5_JTDOD5_JTCKD5_JTMSD5_BOOT1D5_BOOT0D5_OSC32_IND5_OSC32_OUTPE2/TRCECK1PE3/TRACED02PE4/TRACED13PE5/TRACED24PE6/TRACED35VBAT6PC13-ANTI_TAMP7PC14-OSC32_IN8PC15-OSC32_OUT9VSS_510VDD_511OSC_IN12OSC_OUT13NRST14PC0/ADC_IN1015PC1/ADC_IN1116PC2/ADC_IN1217PC3/ADC_IN1318VSSA19VREF-20VREF+21VDDA22PA0-WKUP23PA124PA225PA326VSS_427VDD_428PA429PA530PA631PA732PC433PC534PB035PB136PB2/BOOT137PE738PE839PE940PE1041PE1142PE1243PE1344PE1445PE1546PB10/USART3_TX47PB11/USART3_RX48VSS_149VDD_150PB1251PB1352PB1453PB1554PD855PD956PD1057PD1158PD1259PD1360PD1461PD1562PC663PC764PC865PC966PA867PA9/USART1_TX68PA10/USART1_RX69PA11/CANRX70PA12/CANTX71PA13/JTMS/SWDIO72NC73VSS_274VDD_275PA14/JTCK/SWCLK76PA15/JTDI77PC1078PC1179PC1280PD081PD182PD283PD384PD485PD586PD687PD788PB3/JTDO89PB4/JNTRST90PB591PB692PB793BOOT094PB895PB996PE097PE198VSS_399VDD_3100D5STM32F103VBT6+3.3vGNDD5_JNTRSTPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PD0PD1PD2PD3PD4PD5PD6PD7readD5_JTMSD5_JTCKD5_JTDOD5_RST_JD5_JNTRSTD5_JTDID5_GND_JR50020RR500110KR500010KR59910KR59810KR59710KGND+3.3V12345678XS53CON8R50030RD5_GND_JD5_PB6123XS509CON3CAN-GNDC52210nFC5211uFVREF+VREF+VREF-VREF-INIT1INIT2+3.3VGNDwrite12XS1CON2R54120Rtp1X1TPtp1X2TPtp1X3TPtp1X4TPtp1X6TPtp1X7TPtp1X8TPL181K2AG6K-2F-5VV71N4148SMDV11MMBT9013LT1C4247nR115.1K+5V324K2BG6K-2F-5V675K2CG6K-2F-5V123XS510CON3PD1+3.3V图 1 电原理图内部晶振：32KHZ；外部晶振：8MHZ；管脚配置：PA12为CAN_TX，PA11为CAN_RX， PA10为USART_RX，PA11为USART_TX；复位电路模块：D54部分，MAX809R作为复位电路芯片；双CAN模块：D51部分，XS509和XS510是两路CAN，XS510是CAN-1路，为高时通，XS509是CAN-2路，为 s低时通。默认为低，是XS509通，当PD1管脚控制切换；外部串口收发模块：D52部分；电机模块：K2；为了保证CAN网的可靠性，并在错误出现时尽快定位错误设备，找出错误原因，规范规定了看门狗稳定性保证措施，两个看门狗设备(独看门狗和窗口看门狗)可用来检测和解决由软件错误引起的故障；当计数器达到给定的超时值时，触发一个中断或产生系统复位，以防止程序意外跑飞。这样为系统提供高的安全性、时间的精确性和使用的灵活性。3.2 软件设计软件设计主要包括上位机和下位机的编写，上位机用的VC+平台,下位机用嵌入式IAR EWARM平台。（1）上位机由于串口调试助手不具备通用性、局限性太大，很多时候不能满足设备的要求， 因而此处上位机采取新的方法，重新编写界面，不仅更加美观，同时对下位机CAN的设置也更加清晰明了，让用户一目了然，使用起来十分方便。（2）下位机下位机中CAN节点通信主要包括：串口初始化、CAN初始化、CAN报文转换为串数据和串数据转换为CAN报文四部分。下面就各部分作简要描述，以便大家在实际应用中参考。在进行通信时，主控芯片 STM32F103 接收到 CAN 网的数据时，先转换成串口数据，然后再发出去给上位机串口，串口的数据在界面中显示出来。同理接收到串口发送的数据时，先转换成 CAN 数据，再发出去给 CAN 网，可以用周立功的 CAN 卡进行监视。CAN 的转换可以为原样显示，也可以转换其他进制，如八、十进制等，此处 CAN 设置为原样转换。即 CAN 来的数据，在串口上是原样显示，串过来的数据在CAN上原样显示。这里帧 ID 也是原样传输的。串初始化程序：USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;CAN初始化设置：#define USART_FRAME_HEAD 0xFE#define USART_FRAME_HEAD1 0xFFif(UsartRxBufferi.Data0) = USART_FRAME_HEAD) /设置CAN /此处举例帧格式if(UsartRxBufferi.Data5 = 0xFE) TxMessage.IDE = CAN_ID_STD; /扩展帧 else if(UsartRxBufferi.Data5 = 0xFE) TxMessage.IDE = CAN_ID_EXT; /标准帧 CAN转换成串：if (RxMessage.IDE = CAN_ID_STD) /标准帧 UsartTxBufferi.Data3 = (uint32_t)RxMessage.StdId & 0xFF; UsartTxBufferi.Data2 = (uint32_t)(RxMessage.StdId 8) & 0x07; UsartTxBufferi.Data1 = 0; UsartTxBufferi.Data0 = 0;else /扩展帧for(j=0; jDataLength; j+) UsartTxBufferi.Data(UsartTxBufferi.DataLength+)+4 = CAN_Data-Dataj;串转换成CAN：if ( (UsartRxBufferi.Data0) = USART_FRAME_HEAD1 ) j = Get_Free_CANTxBuffer(); for (k=5; kUsartRxBufferi.DataLength; k+) CANTxBufferj.Datak-5 = UsartRxBufferi.Datak; CANTxBufferj.DataLength = UsartRxBufferi.DataLength;软件流程如下图2所示：图 2 软件流程图 此方法的流程图可以分三部分：开始部分是初始化程序，串口中断程序是对串口数据的处理转换部分，CAN中断程序是对CAN数据的处理转换部分。4 结束语数据通信在嵌入式系统的应用中占有重要地位，CAN与串口的互相通信也越来越重要，这种转换方法功能明确、结构简单、具有很强的通用性和实用性，尤其对于CAN的特性设置和两路CAN的切换，使得用户可以根据自己的需要随意更改。上位机界面也很美观和实用。同时由于加入看门狗程序，使得通信更加稳定、可靠，而且成本很低，足以满足用户系统的各种要求。由于这一CAN通信技术具有模块化特点，因此可适用于多种嵌入式系统中的数据通信.参 考 文 献1饶运涛.现场总线CAN原理与应用技术M.北京：北京航天航空出版社，2003.20166.2王田苗.嵌入式系统设计与实例开发M.北京:清华大学出版社,2002 .3吴志伟,丁铂.USB-CAN-RS232总线转换电路设计与实现J.国外电子元器件,2006(6):31-34.CAN- Serial Conversion Communication Based On The CAN2.0 Standard Yu Sumei Cai Xiang b