基于SJA1000的CAN总线和RS-422串口通信接口转换卡的设计与实现

杜 鹏

（中国船舶集团公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003）

摘  要：介绍了一种采用独立CAN总线控制器SJA1000和8位51单片机组成的CAN总线和串口通信的协议转换卡的设计与实现。阐述了CAN总线和RS-422串口的通信特点，板卡硬件电路的设计组成与功能，程序的设计思路与流程，及最终板卡的实现效果。

关键字：CAN总线；RS-422串口通信；51单片机；SJA1000

0引言

随着舰船信息化程度的提升，船用设备之间的数据交换越来越频繁，各个设备之间如果只是采用串口进行点对点的简单数据传输，通信线路必然连接复杂且维护难度高，无法满足实际的要求。鉴于此新装备的舰船往往采用通信、纠错能力更强，容量更大，结构较为简单的CAN总线进行船用设备之间的数据交换。但是由于各种成型的装备上没有设计CAN总线的通信口，如果再重新设计修改装备，成本太高，耗时耗力。为了满足舰船设备之间的通信要求，在不影响部队战斗力的条件下完成新老设备之间的过渡，需设计CAN和串口的通信协议的转换卡。

目前完成CAN总线和串行接口的协议转换的电路的设计方法主要有如下二种：①直接选用带有CAN控制器的单片机进行接口协议的转换。如P8xC91、AT89C51CC0x、DS89C400等。②用普通的单片机作为主控器，连接CAN控制器，处理协议的转换。单片机一般采用常见的51系列，CAN控制器有SJA1000、MCP2515等。

将CAN控制器与微处理器集成在一块芯片上，无疑会大大简化硬件电路的连接，且可靠性也有很大提高。与此同时此类单片机还增加了许多专用的部件，以P8Xc591为例，增加了A/D转换、脉宽调制输出（PMW）、IIC、看门狗等，很有利于电路的扩展。但是电路设计说明书要求采用独立的CAN控制器SJA1000，鉴于此，本板卡的方案采用SJA1000外接一个微控制器，用CPU控制其运行，完成信号的传输。

1 CAN总线和RS-422A串口介绍

1.1 CAN总线的特点

CAN总线采用一对平衡差分信号线进行半双工传送，在每个通信站点上，都需要平衡驱动器和差分接收器。CAN总线上的节点数主要取决与总线驱动电路，目前可达到110。CAN总线的技术特点如下：

（1）CAN为多主方式工作，网络上任一节点可在任意时刻主动向网络上其它节点发送信息，不分主从。

（2）CAN总线的报文标识符可将CAN上的节点分为不同的优先级，满足传输的实时性要求，通过对报文标识符的滤波即可实现点对点，一点对多点及全局广播等方式传播接受数据。

（3）CAN采用非破坏性总线仲裁技术。当多个节点向总线发送信息出现冲突时，优先级低的节点主动退出发送，而优先级高的可以不受影响继续传输数据，从而有效避免总线冲突。

（4）CAN的每帧信息都有CRC校验及其它检错方式，具有极高的检错效率。

通信距离远，速率高。通信介质可为双绞线，同轴电缆等。

1.2 RS-422A的接口标准

RS-422A采用平衡式传输：双端接受，双端发送。电气特性：逻辑“1”：0 - 5V，逻辑“0”为-5 - 0V，空闲时为逻辑“1”状态。通信特点如下：

差动发送、接受，共模抑制比高，抗干扰能力强。

（1）传输速率高，15m时可达10Mb/s

（2）传输速率远，90Kb/s时可达1200m

2 通信协议转换卡的硬件电路设计

本文设计的转换卡由四部分组成：主控制器51单片机和SJA1000构成的信号过滤、发送模块，由PCA82C250为主的CAN总线收发模块，由MAX232和MAX485组成的串口422通信模块和6N137高速光耦模块。

基本框图如图1：

图1  硬件电路基本框图

单片机的P0口和SJA1000的AD0-AD7相连，作为数据和地址复用总线。SJA1000的MODE接高电平，选择Intel二分频模式。/WR，/RD，ALE分别与对应脚相连。片选信号与P2.7连接，当P2.7为０时，单片机选中SJA1000，可对其进行读写操作。P2.4口对其输出复位信号，/INT是中断信号的输出端，与单片机的INT1连接，单片机通过中断的方式访问SJA1000。

单片机与SJA1000和CAN总线与串口之间都采用高速光耦6N137进行电气隔离，板卡采用双电源供电，这部分电路虽然增加了电路的复杂性，但是提高了电路的抗干扰能力。

电路如图2：

图2 信号过滤、发送模块和光电隔离模块

串口模块采用MAX232和MAX488的组合完成信号电平的转换。

RS-422A是由RS-232C发展而来，定义了一种平衡接口，解决了RS-232C的通信距离短，通信速率不高的缺点。TTL/CMOS和RS-232C的信号电平在极性和幅值俩方面都不同。TTL/CMOS电平采用的是正逻辑，0~5V；RS-232C采用的是负逻辑，3～15V。这里用MAX232完成计算机串口和TTL/CMOS电平的转换。MAX488主要是用来完成RS-232C和RS-422A的信号转换。

电路如图3：

图3 RS-422串口通信模块

PCA82C250是CAN控制器与总线之间的接口，直接与总线相连，具有双向发送接受的能力。

82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。82C250的CANH和CANL引脚通过一个限流电阻与总线相连起到一定的保护作用，CANH和CANL与地之间并联一个30pF的小电容，起到滤除总线高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。Rs引脚上的斜率电阻，可依据总线通信速率适当调整，范围在16~140kΩ。电路如图4。

图4 CANZ总线接收模块

3系统软件设计思路

由于CAN总线的信号为1秒更新一次，串口的的信号需要经过一定的编码再发送出去，且一次发送、接受的信号数据量较大。为了提高通信的速率和可靠性，CAN总线数据采用中断的方式接受，开辟内存空间采用FIFO机制进行管理。

程序分为六部分：主监控程序，SJA1000初始化程序，串口初始化程序，CAN总线数据中断接受程序，串口数据编码程序，串口发送程序。

为了保证通信的实时性、可靠性，程序全部采用汇编语言编写。

系统上电后首先对SJA1000和串口进行初始化，确定CAN总线的工作主频、波特率、输出特性，确定串口的工作模式，通信速率等。

主监控程序循环检测数据缓冲区的指针大小，当判断存在有效数据时，就调用相应的程序来进行处理。

单片机采用FIFO机制管理内部RAM缓冲区，分别开辟了两块数据缓冲区给接受的CAN数据和要发送的串口数据。FIFO共有俩个指针：接受指针和发送指针，当俩个指针不等时即表明FIFO中存在有效数据需要处理，每次发送与接收完都要对指针进行调整，以利于主监控程序的调用。

CAN帧的接受采用中断方式。由于总线上的各种信号很多，而对于消磁的设备只需要取其中的舰船航向和纵横摇信号，通过SJA1000的验收代码寄存器ACR和验收屏蔽寄存器AMR就可以直接过滤出有用的信号。SJA1000从总线读取数据完成后，给单片机发送中断信号。单片机在完成中断类型判断后，需检验相应的标示位，看信号是否有效，若有效需读取SJA1000的接受缓冲区并保存在单片机的数据缓冲区。

调用串口编码程序，从CAN数据缓冲区取出所需要的数据字节，对其按要求编码并保存至串口缓冲区，最后调用串口发送程序，从串口发出。软件流程图如下：

图5 软件流程图

4 结束语

经过实际的现场测试与实验，协议的转换板能达到通信要求，故障率较低，通信的速度优良，抗干扰性较好。

参考文献

[1] 饶运涛，邹继军，王进宏，等.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京：北京航空航天出版社（第二版）

[2] 郭  惠，解书钢. Pretel 99SE常用功能与应用[M].北京：电子工业出版社，2008

[3] 李  强.51系列单片机应用软件编程技术[M].北京：北京航空航天出版社， 2009.4