摘要：针对越来越多的CAN接口设备，设计了一种CAN总线与PC串口之间通信的双向转换器。阐述了转换器的硬件电路设计方法，介绍了CAN与PC机之间的数据收发过程，并给出CAN总线协议与串口协议转换的软件设计流程。
关键词：CAN总线;串行通信;协议;控制器
随着串行通信进入更多的应用领域，计算机的串行口与CAN总线间的通信越来越具有实际意义。现有的PC一般都没有CAN收发功能，但大多有串口。串口协议是硬件协议，采用三线制传输，CAN总线协议是高速二线制协议;串口一次只能传输一个字节，CAN一次最少可以传输两个字节，最多可以传输十个字节;PC机向CAN总线传输时，传输内容包括数据和两个描述符，而CAN向PC机传输时，只取数据传输。由于它们之间诸多差异的存在，所以为了实现两者之间的通信，就需要进行协议转换。在串行口的三线与CAN的两线之间用一个转换器即可实现两者数据的传输，该部分包括了硬件电路和软件协议。本文探讨了CAN与PC机之间数据收发过程，并详细介绍了CAN总线与PC串口之间双向转换器的软硬件设计。
1 硬件电路设计
PC机与CAN总线之间的转换电路主要包括四个模块:微控制器AT89C51、独立的CAN控制器SJA1000、CAN总线收发器82C250和高速光电耦合器6N137。［1］PC机与AT89C51单片机之间在串口上用MAX232进行电平转换。
SJA1000主要在汽车和一般工业环境中使用，通常位于微控制器和CAN收发器之间。SJA1000内部寄存器的地址空间为0～31，分为控制段和信息缓冲区两部分。微控制器以访问外部存储器的方式来访问SJA1000，即把SJA1000当作其外部RAM，通过访问SJA1000内部寄存器来控制SJA1000的数据读写。［2］初始化时微控制器对控制段编程实现通信参数的配置和CAN总线通信状态的监控，收发数据时微控制器对信息缓冲区进行数据读写操作。信息缓冲区分为发送缓冲区和接收缓冲区，发送时，微控制器向发送缓冲区写入数据，并启动发送命令;接收时，微控制器读出接收缓冲区中的数据，并进行处理。82C250是一种高性能的CAN总线收发器，它对CAN总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力。［3］接收来的数据通过收发器传到SJA1000的接收缓冲区，要发送的数据由SJA1000的发送缓冲区通过收发器发出去。
电路设计时，将SJA1000的8位数据线与AT89C51的P0口相连，用AT89C51的P2.0引脚控制SJA1000片选信号，低电平时可对SJA1000执行读写操作。SJA1000的中断输出引脚与AT89C51的外部中断引脚相连，使AT89C51可通过中断方式访问SJA1000。另外，SJA1000的收发端不能直接与82C250的收发端相连，否则会产生信号干扰，为了增强抗干扰能力，需在SJA1000和82C250之间增加一个高速光电耦合器6N137，［4］6N137可以实现CAN节点间的电气隔离，提高了节点的稳定性和安全性。
AT89C51通过MAX232与PC机串行通信，如图1所示。AT89C51单片机的输入、输出均采用TTL电平，而PC机串行口为RS－232C标准接口。显然，两种接口规范不一致，这就需要进行电平转换，电路采用了MAXIM公司的MAX232标准RS232接口芯片，并且将AT89C51的P1.0作为模拟发送端，P1.1作为模拟接收端。MAX232仅需+5V电源供电，它可将两路TTL电平转换成RS－232C电平，也可将两路RS－232C电平转换成TTL电平。［5］
图1 串口电路原理图
信息传送时，由PC机发送的数据通过AT89C51写入SJA1000，并经过CAN收发器82C250发送至CAN总线上。信息接收时，CAN总线上的数据经CAN收发器82C250接收，并写入SJA1000的接收缓冲区，然后通过中断申请AT89C51读取，读取的数据由RS232口上传给PC机。
2 协议转换软件设计
2.1 软件总体设计
CAN总线协议与串口协议转换编程时，首先要将CAN控制器SJA1000和CPU初始化，然后实现它们之间的数据传输。在编程过程中，要注意各种中断的使用。在主程序中，要多次调用子程序。流程图如图2所示。
图2 主程序流程图
2.2 SJA1000初始化
CPU访问SJA1000时，SJA1000有两种不同的模式:复位模式和工作模式。［2］对SJA1000的初始化只能在SJA1000的复位模式下进行，［6］设置复位请求后，一定要校验，以确保设置成功。初始化包括设置CAN总线波特率、设置验收滤波器、设置输出控制寄存器等。
2.3 PC串口向CAN总线数据传输软件设计
图3 PC串口向CAN总线数据传输流程图
数据传输时，由PC机串口传到单片机串口，再经过CAN控制器发送到CAN总线上。编程时，首先调用串口接收中断的子程序，将信息由SBUF放入内部RAM中，然后调用数据送入SJA1000发送缓冲器的子程序，最后启动发送请求命令字，将信息发到CAN总线上。PC机向CAN总线数据传输的流程图如图3所示。
单片机的串口接收到PC机传来的信息，RI= 0，接收控制器发出“装载SBUF”的信号，将8位数据装入接收数据缓冲器，并置RI=1，向CPU申请中断，CPU响应中断后，将RI清0，开始接收下一帧信息。
在单片机内部RAM中设置一10字节的接收数组，编程时先设一中间变量，将SBUF中信息先赋给该中间变量，再将中间变量的值赋给接收数组，从而完成从SBUF到内部RAM的传送。由单片机定义数组中前两个字节为描述符，第一个字节由仲裁场中识别符的高8位ID.10－ID.3组成，它表示了目的CAN节点的地址;第二个字节由识别符的低3位ID.2－ID.0、远程发送请求位RTR位和控制场中的4位数据长度代码组成，它表示了所传数据的字节数量。根据RTR位判断数据长度，若为远程帧，只发送前两个字节;若为数据帧，则将需要传送的数据连同这两个字节一起传到SJA1000的发送缓冲区中，再由SJA1000发送到CAN总线上。
2.4 CAN总线向PC串口数据传输软件设计
数据传输时，由CAN总线经过CAN控制器传到单片机的串口，再上传至PC机的串口。CAN总线向PC机数据传输的流程图如图4所示。
图4 CAN总线向PC串口数据传输流程图
CAN总线上传来的信息首先传到SJA1000的接收缓冲区中，CAN产生中断，单片机的外部中断0向CPU申请中断，CPU响应中断后，读SJA1000的接收缓冲区。
在单片机内部RAM中设置一10字节的发送数组，将接收缓冲区中信息放入发送数组变量中，并清空接收缓冲区。CAN一次最少可传输2个字节，最多可传输10个字节。其中第一个字节由仲裁场中识别符的高8位ID.10－ID.3组成，表示了串口－CAN转换器的地址;第二个字节由识别符的低3位ID.2－ID.0、远程发送请求位RTR位和控制场中的4位数据长度代码组成，表示了所传数据的字节数量。通过第二个字节低4位的值的计算确定所传数据长度，CPU向串口传送时将前两个字节去掉，从第三个字节开始传送，按字节装入发送数据缓冲器SBUF，直至发送完毕。保持TI≡0，发送完毕置位发送中断标志TI，向CPU申请中断，然后用软件将其清零。数据从SBUF经TXD上传给PC机。
3 结束语
CAN总线因具有很高的实时性能，广泛应用于汽车工业、航空工业、安全防护等领域，［7］很多生产厂家都开始致力于研究带CAN总线接口的设备。本文设计的CAN总线－PC串口转换器已开发成功，且具有一定的通用性，可用于数据采集、监控网络等多种工业控制现场。该转换器可以方便地实现CAN接口设备和串口设备之间的通信，且转换速率高，具有较强的实用价值。
