基于单片机ATMega16控制的CAN总线与RS-232转换器电路

    CAN(Controller Area Network)总线是德国BOSCH公司为解决现代汽车中众多控制与测试之间的数据交换开发的一种串行数据通信协议，是一种多主方式的串行通信总线。CAN总线是一种开放式、数字化、多点通信的控制系统局域网，具有通信速率高、传输时间短、传输距离远、纠错能力强、控制简单、扩展能力强以及性价比高等特点，是目前国际上应用最广泛的现场总线之一。但是目前PC机普遍配置RS232串行通信接口，没有CAN总线接口。实际中很多设备带有RS-232接口没有CAN总线接口，为了方便具有RS-232接口的设备与CAN总线的数据通信，本文完成了基于单片机ATMega16控制的CAN总线与RS-232转换器电路设计和软件设计，实现了CAN总线数据与RS-232接口设备的数据传输。

    一、简述CAN总线与RS232协议

    CAN作为一种多主方式的串行通讯总线，其基本设计规范要求高位速率和较高的抗电磁干扰性能，而且要能够检测出通讯总线上产生的任何错误。当信号传输距离达10km时，CAN仍可提供高达5kbit/s的数据传输速率。表1为CAN总线上任意两个节点之间最大传输距离

    与其位速率之间的对应关系。

    由此可见，无论从实时性、适应性、灵活性，还是可靠性上来看，CAN总线都是一种比较优秀的串行总线。当两台串口设备的相距较远，不能直接用RS-232把它们连接起来时，就可以把RS-232转换为CAN，通过CAN总线来实现串口设备的网络互连。

表1 CAN总线系统任意两节鼎足之势之间的最大距离

    RS-232和CAN在电平和帧格式上都是很大的不同。具体表现如下：RS-232标准电平±(3V～15V)之间。而CAN信号则使用差分电压传送，两条信号线称为“CAN_H”和“CAM_L”，静态时均为2.5V左右;RS-232串口的帧格式为：一位起始位，八位数据位，一位可编程的第九位，一位停止位。而CAN的数据帧格式为：帧信息+ID+数据。

    二、CAN总线转RS232总体设计

    CAN总线转2 3 2 的接口硬件电路， 主要选用MAX232、ATMega16、SJAl000和MCP2551设计实现。

    其原理框图如图1所示。

    三、转换器硬件设计

    3.1 主控制器设计

    主控制器选择ATMEL公司的ATMega16作为主处理器，该芯片是一个低电压，高性能单片机，片内含可反复擦写的EEPROM和随机存取数据存储器(RAM)，兼容标准MCS-51指令系统。

    ATMega16有44个引脚，32个外部双向I/0端口，同时内含3个外中断口，2个8位和1个16位可编程定时计数器，1个全双工串行通信口，ATMega16可按常规方法进行编程，也可在线编程。ATMega16的4脚接复位电路，低电平有效;9，10脚接MAX232的数据接收/发送端;PD口脚接SJAl000的控制端端;7，8脚接晶振电路;PB口接SJAl000的复用地址/数据总线。

    3.2 MAx232电路设计

    选择MAX232芯片作为RS232与CAN总线的电平转换器。MAX232是一种电平转换驱动器，提供TTL与RS232电平的转换。其13、14脚接到232接口的2、3针;11、12脚接到单片机的接收、发送端。

    3.3 CAN控制器电路设计

    选用Phi l ip公司的SJAl000芯片实现CAN控制器和CAN总线驱动器。SJAl000控制器与单片机硬件连接电路设计，如图2、3所示。

    为使SJAl000正确复位，CAN控制器必须连接一个稳定的振荡器时钟，这里选择16MHz的晶振。

    3.4收发器电路设计

    收发器是协议控制器和物理传输线路之间的接口，这里由MCP2551实现。协议控制器通过串行数据输出线(Tx)和串行数据输入线(RX)连接到收发器，收发器通过有差动发送和接收功能的两个总线终端CANH和CANI。连接到总线电缆，实现CAN总线的数据通信。如图4所示。   

    四、主程序设计

    在微处理控制下，RS-232和CAN进行数据交换时，采用CAN查询方式和串口发送可提高工作效率。其主程序流程图如图5所示。SJA1000的初始化在复位模式下才可以进行，主要包括工作方式的设置、时钟分频和验收滤波寄存器的设置、波特率参数的设置以及中断允许寄存器的设置等。数据能否准确传递还取决于波特率和流量控制，这也是软件设计时不可忽略的地方。

    串口波特率采用9600 bit/s，系统上电初始化后CAN控制器查询发送标志位，一旦发送缓冲区空就发送数据。同时也检测状态寄存器的接收标志位，当有数据接收时读取接收缓冲区，然后判断接收数据帧，当接收帧为错误帧就丢掉数据并将CAN控制器复位，如果数据帧是正确帧就将该帧打包成符合RS232协议的帧结构，通过串口发送出去。

    五、结束语

    本文采用ATMega16、SJAl000、MCP2551和MAX232，设计开发了CAN总线转232的接口，完成了两种协议的转换，实现了CAN总线与RS232通信接口设备之间的通信。测试和实际使用表明该接口运行稳定、可靠，达到了设计要求。