畢業(yè)設計（論文）-基于單片機的RS422-CAN總線轉換器的研制_(2).pdf

1摘要，由CAN總線是近些年新興的一種串行現場總線于CAN總線的信號傳輸時間短，受干擾的概率低。當節(jié)點錯誤嚴重時，具有自動關閉功能，以切斷該節(jié)點與總線的聯系，是總線上的其他節(jié)點及通信不受影響，具有將強的抗干擾能力。以上優(yōu)點使CAN總線成為最有前途的現場總線之一。RS422是一種較早的集成式串行通訊協(xié)議，使用廣泛，很多變頻器、可編程控制器和各種智能儀表都帶有RS422接口。如果將其接入到CAN總線網絡中去，更換所有儀器儀表顯然很不明智。最為簡單的是設計一種轉換器，它可以把RS422總線轉換成性能更好的、穩(wěn)定性更強的CAN總線，我們這次要設計的就是一種從RS422到CAN轉換的器件。它可以將儀表上傳輸過來的數據轉換成CAN協(xié)議下的數據，并將其與發(fā)送到其他節(jié)點；也可以將總線上其他節(jié)點上的數據傳輸到帶有RS422的儀器儀表中。這種轉化器的價格低廉，性能優(yōu)異，在船體的網絡設計中有很廣泛的實際應用。關鍵詞：CAN總線；轉換器；單片機；哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文2ABSTRACTABSTRACTTheCANbusisakindofnewdevelopingserialfiledbusinrecentyearsbecausethesignaltransmissiontimeoftheCANbusisshorttheprobabilityinterferedislow.Whenthenodalmistakeisseriousclosethefunctionautomaticallyinordertocutofftheconnectionbetweenthisnodeandthebusitdoesnotinfluenceothernodeandcommunicationofthebushavebetteranti-interferenceability.Theabove-mentionedadvantagesmaketheCANbusbecomeoneofthemostpromisingfiledbus.RS422isakindofearlierintegratingtypeserialcommunicationagreementanduseextensively.AlotoffrequencyconvertersprogrammablecontrollerandvariouskindsofintelligentinstrumentshaveRS422connect.IfinsertittotheCANbusnetworkitisobviouslyveryunwisetochangeallinstrumentandapparatus.ThesimplestonewayistodesignakindofconverteritcanchangeRS422busintotheCANbus.WhatwewilldesignisakindofdevicechangedfromRS422toCAN.ItcanchangethedataundertheRS422agreementintothedataundertheCANagreementandsendsittoothernodesTheCANbustransmitthedatatoothernodesonthebustotheinstrumentandapparatuswithRS422too.Thiskindoftransationdeviceischeapsothereisveryextensivepracticalapplicationinthedesignofthehull.KeyKeywordswords:CAN_busconverterSingle_ChipMicrocomputer哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文3目錄第一章緒論11.1組合導航的產生與發(fā)展11.2CAN總線和RS422總線在組合導航中的作用21.3RS422總線介紹31.3.1串行通訊和RS422系列標準31.3.2RS422電氣規(guī)定41.4CAN總線介紹61.4.1現場總線形成與發(fā)展61.4.2CAN總線工作方式與特點81.5RS422到CAN總線轉換器設計111.5.1RS422到CAN總線轉換器意義111.5.2RS422到CAN總線轉換器設計要求121.5.3RS422到CAN總線轉換器設計方案13本章總結13第二章轉換器硬件設計152.1單片機及所用器件簡介152.1.1C8051F040單片機的特點和應用162.1.2PCA82C250總線收發(fā)器192.1.3通訊擴展器件TL16C554222.1.4RS422轉換器件MAX1490A252.2電路設計軟件PROTEL99的使用方法262.2.1PROTEL99簡介262.2.2電路板設計步驟272.2.3硬件電路原理圖的設計28哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文4本章總結28第三章轉換器的軟件設計293.1單片機軟件程序設計過程293.2所需器件的軟件和協(xié)議應用303.3配置CAN寄存器323.3.1CAN報文對象初始化處理323.3.2發(fā)送與接受對象的配置333.3.3中斷處理353.3.4TL16C554初始化373.4轉換器工作原理流程圖383.5系統(tǒng)程序設計413.5.1主程序413.5.2子程序部分423.5.3兩個中斷子程序43本章小節(jié)43第四章轉換器的調試45結論47參考文獻48致謝49附錄50哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文5哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文1第一章緒論1.1組合導航的產生和發(fā)展組合導航的產生和發(fā)展取決于客觀需要和現實可能性。近數十年來，世界上許多先進工業(yè)國家，為了適應航行和運載工具的需要，先后研制出許多導航體制和設備，分別解決各自的特定任務。由于單一導航系統(tǒng)都存在自己的局限性，有所長亦有所短，因此單一導航系統(tǒng)難于滿足現代航行的需要，所以要求有一種準確、迅速、高性能的導航系統(tǒng)產生，這就是組合導航系統(tǒng)產生的客觀需要。從現實可能性來說，由于各種單一導航系統(tǒng)和設備的發(fā)展已經處于成熟而穩(wěn)定的階段，它們各自的優(yōu)缺點表現明顯。如慣性導航是自主式導航系統(tǒng)，不受外界干擾，相對精度比較高，但它的誤差隨時間積累；天文導航也是自主式導航系統(tǒng)，誤差不隨時間而增長，但它受氣象條件和晝夜因素限制；無線電導航系統(tǒng)定位誤差不隨時間增長，但受外界干擾影響較大；衛(wèi)星導航的精度高，容易做到全球、全天候導航，但它技術復雜，且目前使用的子午儀系統(tǒng)還不能連續(xù)提供導航信息，兩次定位間隔時間較長；此外還有一些導航設備（羅經、平臺羅經、計程儀等）可提供單一的或少量的導航信息，他們已發(fā)展到完善階段。這些都給組合導航的形成提供了充分的條件。在組合導航系統(tǒng)中，狀態(tài)與噪聲都是隨機的，對來自眾多導航設備的導航信息要加以綜合處理，包括：對描述未來狀態(tài)的隨機信號的預測；隨機信號與隨機噪聲的分離，并將分離后的隨機信號進行檢測等。解決這些隨機信號的估計，是提高導航性能的關鍵。為此，經過多年的研究，直到本世紀60年代初卡爾曼提出哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文2最佳線性遞推估計濾波法，才為組合導航的實現提供了良好的數學工具，大大加速了組合導航系統(tǒng)的發(fā)展。當前，廣泛使用的導航設備已基本處于穩(wěn)定時期，組合導航從原理到體制已趨于成熟，特別是電子計算機的發(fā)展日新月異，使船舶導航系統(tǒng)日益完善。隨著微型計算機的這一異軍突起，組合導航系統(tǒng)將會開創(chuàng)一個新的局面。組合導航發(fā)展趨勢是日益小型化、數字化、全自動化、既能實現自動檢測，自動轉換，自動試驗又能自動報警、自動記錄、自動打印與標繪等。還要指出，美國第二代衛(wèi)星導航的導航星全球定位系統(tǒng)GPS，在投入使用后，由于它能連續(xù)定位、精度高、全球全天候使用，又能提供速度、時間信息等獨特優(yōu)點，以慣性導航和全球定位系統(tǒng)GPS為核心的組合導航，必將使組合導航系統(tǒng)跨入一個全新的時代。1.2CAN總線和RS422總線在組合導航中的應用20年來電子計算機技術迅速發(fā)展，并得到日益完善和廣泛的應用，為組合導航的實時計算和控制創(chuàng)造了技術條件，因此，使組合導航系統(tǒng)的實現成為可能。由于采用多功能、多模式的體制。即將多種傳感器、多模式工作方式及資料實事處理、濾波和邏輯職能等計算技術結合為一個整體，形成集成化組合導航。再有是將組合導航系統(tǒng)與其它系統(tǒng)組合在一起，如與自動航行系統(tǒng)、避碰系統(tǒng)、艦船控制系統(tǒng)及通訊監(jiān)視、作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)等的組合，已完成導航以外的更廣泛的功能，這將是未來所有艦船發(fā)展的方向。那么將如此多的器件與系統(tǒng)連接起來而形成一個完整的大系統(tǒng)，可以相互協(xié)調而同一工作，在連接上就要采用總線結構?？偩€將艦船上各個導航設備按照一定的結構連接起來，使其能相互通訊，從而使各個設備充分發(fā)揮它們的功能，更易于工作人員的控制，哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文3提高導航控制的自動化。RS422總線和CAN總線就是廣泛采取的兩種總線結構。它們都屬于串行總線，都具有良好的通訊能力。但RS422總線無論是連接方式、通訊距離、通訊效果、錯誤檢測方面都不如CAN。本章將分別介紹RS422和CAN總線。1.3RS422總線介紹1.3.1串行通訊和RS422系列標準隨著計算機系統(tǒng)的應用和微機網絡的發(fā)展，通信功能越來越顯的重要。這里所說的通信是只計算機與外界的信息交換。因此，通信既包括計算機與外部設備之間，也包括計算機和計算機之間的信息交換。由于串行通信是在一根傳輸線上一位一位的傳送信息，所用的傳輸線少，并且可以借助現成的電話網進行信息傳送，因此，特別適合于遠距離傳輸。對于那些與計算機相距不遠的人機交換設備和串行存儲的外部設備如終端、打印機、邏輯分析儀、磁盤等，采用串行方式交換數據也很普遍。在實時控制和管理方面，采用多臺微機處理機組成分級分布控制系統(tǒng)中，各CPU之間的通信一般都是串行方式。所以串行接口是微機應用系統(tǒng)常用的接口。典型的串行接口的結構如圖1.1所示圖1.1串行接口的結構哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文4串行通訊的特點是：數據位傳送，傳按位順序進行，最少只需一根傳輸線即可完成，成本低但傳送速度慢。串行通訊的距離可以從幾米到幾千米。根據信息的傳送方向，串行通訊可以進一步分為單工、半雙工和全雙工三種。信息只能單向傳送為單工；信息能雙向傳送但不能同時雙向傳送稱為半雙工；信息能夠同時雙向傳送則稱為全雙工。串行通訊又分為異步通訊和同步通訊兩種方式。在單片機中，主要使用異步通訊方式。51系列單片機有一個全雙工串行口。全雙工的串行通訊只需要一根輸出線和一根輸入線。數據的輸出又稱發(fā)送數據（TXD），數據的輸入又稱接收數據（RXD）。串行通訊中主要有兩個技術問題，一個是數據傳送、另一個是數據轉換。數據傳送主要解決傳送中的標準、格式及工作方式等問題。數據轉換是指數據的串并行轉換。具體說，在發(fā)送端，要把并行數據轉換為串行數據；而在接收端，卻要把接收到的串行數據轉換為并行數據。1969年，美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)公布了RS-232C作為串行通信接口的電氣標準，該標準定義了數據終端設備(DTE)和數據通信設備(DCE)間按位串行傳輸的接口信息，合理安排了接口的電氣信號和機械要求，在世界范圍內得到了廣泛的應用。但它采用單端驅動非差分接收電路，因而存在著傳輸距離不太遠(最大傳輸距離15m)和傳送速率不太高(最大位速率為20Kbs)的問題。遠距離串行通信必須使用Modem，增加了成本。在分布式控制系統(tǒng)和工業(yè)局部網絡中，傳輸距離常介于近距離(20m和遠距離(2km)之間的情況，這時RS-232C（25腳連接器）不能采用，用Modem又不經濟，因而需要制定新的串行通信接口標準。1977年EIA制定了RS-449。它除了保留與RS-232C兼容的特點外，還在提高傳輸速率增加傳輸距離及改進電氣特性等方面作了很大努力，哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文5并增加10個控制信號。與RS-449同時推出的還有RS-422和RS-423，它們是RS-449的標準子集。另外，還有RS-485，它是RS-422的變形。RS-422、RS-423是全雙工的，而RS-485是半雙工的。RS-422由RS-232發(fā)展而來，它是為彌補RS-232之不足而提出的。為改RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbs，傳輸距離延長到4000英尺（速率低于100kbs時），并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的雙向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為TIAEIA-422-A標準。1.3.2RS422電氣規(guī)定RS-422標準全稱是“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。圖1.2a是典型的RS-422四線接口，實際上還有一根信號地線，共5根線。分別是發(fā)送A（TXA）發(fā)送B(TXB)接收A（RXA）接收B(RXB)接地線GND9V電源線。圖1.2b是其DB9(九個引腳)連接器引腳內部的差動工作方式。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅動器，比RS232更強的驅動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10個節(jié)點。即一個主設備（Master），其余為從設備（Salve），從設備之間不能通信，所以RS-422支持點對多的雙向通信，但是不支持多對多的通信。接收器輸入阻抗為4k，故發(fā)端最大負載能力是104k+100.（終端要接平衡電阻）。RS-422四線接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數據方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式（XONXOFF握手）或硬件方式（一對單獨的雙絞線）實現。若采用硬件握手會增加布線成本，以此如果通訊距離遠，一般采取的是軟件握手的方式。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文6圖1.2aRS-422四線接口圖1.2bDB9連接器引腳定義RS-422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mbs。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kbs速率以下，才可能達到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mbs。RS-422需要一個終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在短距離傳輸時可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠端。1.4CAN總線介紹1.4.1現場總線形成與發(fā)展隨著控制、計算機、通訊、網絡等技術的發(fā)展，信息交換溝通的領域正在迅速覆蓋從工廠的現場設備層到控制、管理的各個層次、覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。信息技術的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結構的變革，逐步形成以網絡集成自動化系統(tǒng)為基礎的企業(yè)信息系統(tǒng)?，F場總線(fieldbus)就是順應這一形勢發(fā)展起來的新技術?，F場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現，標志著工業(yè)控制技術領域有一個新時代的開始，并將對該領域的發(fā)展產生重要影響?，F場總線是應用在生產現場、在微機化測量控制之間實現雙向串行多哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文7結點數字通訊的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數字化、多點通訊的底層控制網絡。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動化系統(tǒng)中有廣泛的應用前景?，F場總線技術將專用微處理器植入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使他們各自都具有了數之計算和數字通訊能力，采用了可進行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量儀表聯接成網絡系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通訊協(xié)議，在位于現場的多個微機化測量控制設備之間以及現場儀表與遠程計算機之間，實現數據傳輸和信息交換，形成各種適應實際需要的自動化控制系統(tǒng)。簡而言之，他把單個分散的測量控制設備變成網絡節(jié)點，以現場總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務的網絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。給自動化領域帶來的變化，正如眾多分散的計算機被網絡連接到一起，使計算機的功能、作用發(fā)生的變化?，F場總線則使自控系統(tǒng)與設備具有了通訊能力，把它們連接成網絡系統(tǒng)，加入到信息網絡的行列。因此把現場總線技術說成是一個控制技術新時代的開端并不過分?，F場總線控制系統(tǒng)既是一個開放的通訊網絡，又是一種全分布控制系統(tǒng)。它作為智能設備的聯系紐帶，把作為網絡節(jié)點的職能設備連接為網絡系統(tǒng)，并進一步構成自動化系統(tǒng)，實現基本控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動化功能。他是一項以智能傳感器、控制、計算機、數字通訊、網絡為主要內容的綜合技術。由于現場總線適應了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網絡化智能化發(fā)展的方向，它已經變成了全球工業(yè)自動化技術的熱點，受到全世界的普遍關注。現場總線的出現，導致目前生產的自動化儀表、集散控制系統(tǒng)（DCS）、可編程控制器（PLD）在產品的體系結構、功能方面發(fā)生了較大的變革，自動化設備的制造廠家被迫面臨產哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文8品更新換代的又一次挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的模擬儀表將逐步讓位于智能化數字儀表，并具備了數字通訊功能。出現了一批集檢測、運算、控制功能于一體的變送控制器；出現了帶有控制模塊和具有故障信息的執(zhí)行器，并由此大大改變了現有的設備維護管理方法?，F場總線是用于過程控制現場儀表與控制室之間的一個標準的、開放的、雙向的多站數字通信系統(tǒng)。隨著計算機技術、通訊技術、集成電路技術的發(fā)展，以全數字式現場總線（FIELDBUS）為代表的互聯規(guī)范，正在迅猛發(fā)展和擴大。由于采用現場總線將使控制系統(tǒng)結構簡單，系統(tǒng)安裝費用減少并且易于維護；用戶可以自由選擇不同廠商、不同品牌的現場設備達到最佳的系統(tǒng)集成等一系列的優(yōu)點，現場總線技術正越來越受到人們的重視。近十幾年由于現場總線的國際標準不能建立，現場總線發(fā)展的種類較多，約有40余種：如德國西門子公司Siemens的ProfiBus，法國的FIP，英國的ERA，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，德國RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHan公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，國際標準組織-基金會現場總線FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美國的DeviceNet與ControlNet等等?，F場總線的種類主要有：基金會現場總線FF，ProfiBus，WorldFIP，ControlNetDeviveNet，CAN等。1.4.2CAN總線工作方式與特點各種總線特點不同，應用方式和范圍也不盡相同。其中CAN由于其高性能、高可靠性及獨特的設計，CAN越來越受到人們的重視。國外已有許多大公司的產品采用了這種技術。CAN最初是由德國BOSCH公司為汽車監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設計的。眾所周知，現代哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文9汽車越來越多地采用電子裝置控制，如發(fā)動機的定時、注油控制、加速、剎車控制（ASC）及復雜的抗鎖定剎車系統(tǒng)（ABS）等。由于這些控制需檢測及交換大量的數據，采用采取主從方式不但繁瑣、昂貴，而且難以解決問題，采用CAN總線上述問題便得到了很好的解決。據資料介紹，世界上一些著名的汽車制造廠商，如BENZ（奔馳）、BMW（寶馬）、PORSCHE（保時捷）、PRLLS-ROYCE（勞斯萊斯）和JAGUAR（美洲豹）都開始采用CAN總線來實現汽車內部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構間的數據通訊。CAN(ControllerAreaNetwork)稱為控制局域網，屬于總線式通訊網絡。CAN總線規(guī)范了任意兩個CAN節(jié)點之間的兼容性，包括電氣特性及數據解釋協(xié)議，CAN協(xié)議分為二層：物理層和數據鏈路層。物理層決定了實際位傳送過程中的電氣特性，在同一網絡中，所有節(jié)點的物理層必須保持一致，但可以采用不同方式的物理層。CAN的數據鏈路層功能包括幀組織形式，總線仲裁和檢錯、錯誤報告及處理，確認哪個信息要發(fā)送的，確認接收到的信息及為應用層提供了接口。CANBUS網絡上任意一個節(jié)點均可在任意時刻主動向網絡上的其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。通訊靈活，可方便地構成多機備份系統(tǒng)及分布式監(jiān)測、控制系統(tǒng)。網絡上的節(jié)點可分成不同的優(yōu)先級以滿足不同的實時要求。采用非破壞性總線裁決技術，當兩個節(jié)點同時向網絡上傳送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數據發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數據。具有點對點，一點對多點及全局廣播傳送接收數據的功能。通訊距離最遠可達10KM5KBPS，通訊速率最高可達1MBPS40M。網絡節(jié)點數實際可達110個。每一幀的有效字節(jié)數為8個，這樣傳輸時間短，受干擾的概率低。每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，數據出錯率極低，可靠性極高通訊介質采用廉價的雙絞線即可，無特殊要求。在傳輸信息出錯嚴重時，節(jié)點哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文10可自動切斷它與總線的聯系，以使總線上的其它操作不受影響。CAN網絡具有如下特點：1CAN屬于總線式串行網絡，由于其采用了許多新技術及獨特的設計，與一般的通訊總線相比，CAN總線上的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點可概括如下：CAN為多主方式工作，網絡上任意節(jié)點均可在任意時刻主動地向網絡上其它節(jié)點發(fā)送信息，而從不分主從，通信方式靈活，且無需站地址等信息。利用這一特點可方便的構成多機備份系統(tǒng)。2CAN網絡上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，高優(yōu)先級的數據最多可在134us內得到傳輸。3CAN采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出總線，而優(yōu)先級較高的節(jié)點可不受影響的傳送數據，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。尤其是在網絡負載很重的情況下也不會出現網絡癱瘓情況（以太網則可能）。4CAN只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送數據，而無需專門的“調度”。5CAN的直接通訊距離最yuankeda10KM（速率5kps以下）；通訊速率最多可達1Mbps（此時通訊距離最長40m）。6CAN上的節(jié)點數主要取決于總線驅動電路，目前可達110個；報文標識符可達2030種（CAN2.0A）而擴展標準（CAN2.0B）的報文標識符幾乎不受限制。7采用短幀結構，通訊距離短，受干擾率低，具有極好的檢測效果。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文118CAN的每幀信息都有CRC校驗和其它檢錯措施，保證了數據出錯率極低。9CAN的通訊介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。10CAN節(jié)點在錯誤影響嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其它節(jié)點的操作不受影響。圖1.3為總線應用原理圖圖1.3總線應用原理圖1.5RS422到CAN總線轉換器設計1.5.1RS422到CAN總線轉換器意義由于船舶中的很多底層控制儀器、智能儀表和可編程控制器起初都是在DCS（集散式控制系統(tǒng)）的模型下傳輸數據的，都帶有RS422串行數據輸入輸出接口，如果想把它們連接進安全性更高，實時性更好的CAN總線網絡，那么將所有的底層控制儀器、智能儀表和可編程控制器都換成帶有CAN接口的儀器成本很高，且要將所有的一起儀器儀表全部更換，費工費時。這時使用一個能把RS422轉換成CAN的轉換器就可以解決實際問題，它是一種模塊化的轉換器，直接使用儀器儀表上的RS422接口，不需要對原先任何器件進行硬件處理，就可以把底層儀表接入CAN總線，更有優(yōu)哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文12勢的地方是它并不是一對一的，將一路的RS422數據與一路CAN數據進行轉換，而是多對一的，也就是使用一個控制芯片可以轉換多路RS422數據。轉換成本將會大大降低，并且充分使用硬件資源。這種轉換器在船舶導航控制、及其他的CAN總線網絡的設計與選擇中將會有很重要的作用與應用空間。1.5.2RS422到CAN總線轉換器設計要求我們所要求設計的RS422到CAN總線轉換器是基于組合導航系統(tǒng)的應用。它是連接組合導航系統(tǒng)中各個智能儀表，測控元件與工控計算機還有人工控制系統(tǒng)的線路，相當于系統(tǒng)中的交通運輸線，在導航系統(tǒng)及其它相互連接的自動化網絡系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。具體的設計要求如下：1能從各個節(jié)點、智能儀表儀器發(fā)過來的串行數據存入C8051F040（所選澤的帶有CAN接口的51單片機）中，因為發(fā)過來的數據并不只是一路，因此所作的器件要有自動辨別是由哪路串口進來的數據，并且將數據分別存入指定的存儲區(qū)域中。2能將由符合RS422的數據轉換成符合CAN總線的幀結構。并且當CAN總線中的其他節(jié)點需要此數據時，將數據從存儲區(qū)中取出并實時的發(fā)送出去。3此轉換器屬于自動工作器件，因此高安全性時期要保證的重要的一個方面，當系統(tǒng)出現故障或跑飛的時候，能夠自動重新工作，即具有自動重啟功能。4結構簡單，成本低廉，安裝方便。由于船舶在航行過程中要不斷的根據外界環(huán)境的變化來實時控制船舶的航行，而且由于船體的特殊的構造，及用途不同，船體的內部結構也不盡相同，使得船舶上面的各個部門的控制人員要實時的分享所需要的信息變得十分困難，這就阻礙了船舶的實時控制。所以設計方向應該是簡單實用。結構簡單，便于使用和修理；成本低廉，是要面向各哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文13種類型的船舶；安裝方便，可以在船舶上實時的使用，不需要專業(yè)人員、專業(yè)技術。5模塊化設計，設計的轉換器在硬件上不需要依靠其他儀器進行工作，是獨立的，這樣當轉換器出現故障來不及修理時，可以用一個備用的先換上，不影響船舶內的通訊與工作。換下來的修好后可當備用的轉化器使用。1.5.3RS422到CAN總線轉換器設計方案根據具體的設計要求，我設計了一個方案，經過老師和研究生的指導，略有改動，并最終確定了設計方案。設計方案力求簡單、實效、穩(wěn)定使設計出來的產品具有結構簡單、成本低廉、安裝方便的優(yōu)點。具體的設計方案如下：用一片C8051F040單片機作為轉化器的中心芯片，它來完成轉換器的中心工作.它完成三種功能，一是完成軟件方面的功能，能把RS422協(xié)議傳輸的字節(jié)和按CAN協(xié)議傳輸的幀相互轉換；二是完成邏輯電平對CAN總線邏輯電平的轉換和其他的CAN通訊協(xié)議的轉換；三適當系統(tǒng)遇到軟件或硬件故障時，能重新自動復位，使其能在無人情況下更加穩(wěn)定地自動工作。PCA82C50是飛利浦公司的CANX總線收發(fā)接口電路，借此可擴大在負載能力，可支持多大110個節(jié)點相連接。串行接收發(fā)送方面一片TL16C554C串行通訊擴展單片機接收從四個MAX1490A傳輸過來的數據。MAX1490A完成RS422總線邏輯電平對TTL邏輯電平的轉換。這樣就大體上形成了轉換器的結構，我也就是按照這一結構的設計方案來設計轉換器的。本章總結緒論部分主要介紹的是當前在網絡應用中的各種總線方式，如RS422總線和CAN總線，比較了他們各自的優(yōu)缺點，以及發(fā)展趨勢。在當前環(huán)境下，雖然DCS集散控制系統(tǒng)仍然占有市場較大份額，但現場總線的發(fā)展趨勢是阻止不了的，通訊網絡形成真正的開放哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文14互聯系統(tǒng)已是大勢所趨。RS422總線到CAN總線的轉換器正是這種條件下，有DCS向FCS（現場總線控制系統(tǒng)）轉換下的產物，具有很高的市場應用價值。目前市場上已有這種轉換器，四星電子BH-485RS422RS485CAN接口保護器，中牟源動力科技的光電隔離型RS422485中繼器，但這種產品只是一對一的轉換，而這次設計的一個轉換器可以進行四路RS422串行數據的轉換，充分利用了硬件資源，節(jié)約成本，具有更高的應用價值。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文15第二章轉換器硬件設計從硬件考慮，轉換器應能把符合RS485RS422的標準的邏輯電平和符合CAN邏輯的電平相互轉換，從軟件考慮，橋接器應能把按RS485RS422協(xié)議傳輸的字節(jié)和按CAN協(xié)議傳輸的幀相互轉換。芯片MAX1490A完成RS422總線邏輯電平對TTL邏輯電平的轉換，芯片TL16C554完成異步通訊串行通訊口的擴展，CF8051F040是帶CAN控制器的通訊模塊，它完成三種功能，一是完成軟件方面的功能，能把RS485RS422協(xié)議傳輸的字節(jié)和按CAN協(xié)議傳輸的幀相互轉換；二是完成邏輯電平對CAN總線邏輯電平的轉換和其他的CAN通訊協(xié)議；三是充當看門狗，自動復位。PCA82C50是飛利浦公司的CAN總線收發(fā)接口電路，擴大在負載能力。2.1單片機及所用器件簡介眾所周知，近10年來微型計算機的發(fā)展速度是十分迅速的，其發(fā)展方向有兩個方面：其一是不斷推出高性能的通用微型計算機系統(tǒng)。這類通用微機系統(tǒng)，其中央處理機為一塊大規(guī)模的集成電路，稱為微處理器，配上數量不等的外圍接口電路和內存電路，組成主機，加接終端、打印機、磁盤等IO設備，構成微機系統(tǒng)。如Z80系列的TRS-80CROMEMCO6502的APPLEIBMPC550等。還有各種個人計算機和單板機，它們正取代原中小型的甚至大型的計算機的作用，并使計算機普及到各個行業(yè)甚至是家庭。通用微型機主要用作科學計算和管理。隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，微處理器的功能不斷得到加強：（1）字長：從8位、16位，到32位；（2）提高CPU的處理能力和處理速度；（3）采用先進的系統(tǒng)結構，適合于組成微機網絡；哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文16其二是面向控制型應用領域的單片微型計算機（亦稱微控制器）的大量生產和廣泛應用。世界上著名的器件公司如INTELZILOGNEC等大公司都生產單片微型計算機系列。由于單片機具有高可靠性、超小型、價格低、容易產品化等優(yōu)點，單片機在智能儀器儀表、實時工業(yè)控制、智能終端、通信設備、導航系統(tǒng)、家用電器等控制型應用領域具有廣泛的用途，正取代各種類型的專用計算機系統(tǒng)。單片機與CAN總線連接的傳統(tǒng)方式是將CPU與總線控制器和總線收發(fā)器相連后再接入總線網絡，這樣使CPU外圍電路復雜化，整個系統(tǒng)受外部影響較大。為了解決這一問題，很多單片機廠商紛紛將CAN控制器集成在單片機芯片上。目前，單片機內部集成的CAN控制器有Motorola公司的MC68HC912DG128A、Philips公司的P87C591、Atmel公司的AT89C51CC01和AT89C51CC02、Intel公司的TN87C196CA和TN87C196CB以及Cygnal公司的C8051F040等。由于我們應用的主要是C8051FO4X系列的單片機，下面我就來介紹一下C8051FO4X系列單片機的特性。2.1.1C8051F040單片機的特點和應用C8051F040單片機是美國Cygnal公司生產的完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯SoC(SystemonChip)，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內核。它在一塊芯片上集成了構成一個單片機數據采樣或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其它功能部件。功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、SMbusI2C、UART、SPI、CANbus2.0B、可編程計數器定時器陣列(PCA)、計數器定時器、8b寬的通用數字IO端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時器(WDT)和時鐘振蕩器等。此單片機有64Kb在系統(tǒng)可編程FLASH程序存儲器和4352b的RAM，執(zhí)行速度可達25MIPS。片內JTAG仿真電路提供哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文17全速、非侵入式(不使用片內資源)的電路仿真，支持斷點、單步觀察點、運行和停止等調試命令，支持存儲器和寄存器校驗和修改。圖2.1為C8051F040芯片結構圖2.1C8051F040芯片結構C8051F040片內帶有CAN控制器，符合Bosch2.0A和2.0B技術規(guī)范，允許使用CAN協(xié)議進行串行通訊。CAN控制器的工作速率可高達1Mbits。Cygnal公司的C8051F04X的CAN有32個信息目標，每個信息目標都有自己的標識符屏蔽用來對接收信息進行接收濾波。輸入數據，信息目標和標識符屏蔽都存儲在CAN信息RAM中。所有進行數據傳輸和接收濾波的協(xié)議功能都是由CAN控制器執(zhí)行的，而微控制器單元MCU在此并不起作用。這樣，使用CAN通信需要很小的CPU帶寬。通過MCU內的特殊功能寄存器，MCU可配置CAN控制器，訪問接收到的數據以及傳輸數據。因此，C8051F040可完成CAN總線協(xié)議的數據哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文18鏈路層和應用層的所有功能，圖2.2為CAN控制器內部結構圖2.2CAN控制器內部工作結構C8051F04X系列芯片自帶看門狗定時器，在系統(tǒng)時鐘下工作，看門狗（WDT）溢出將會迫使芯片進入復位狀態(tài)。為了阻止復位，WDT必須在溢出之前利用應用程序重新啟動，如果系統(tǒng)遇到一個硬件或軟件故障，阻止系統(tǒng)重新啟動WDT，WDT將會溢出并引發(fā)復位，這可以組織系統(tǒng)跑飛。這樣擁有硬件定時復位功能，相對于軟件定時復位抗干擾能力更強；可以不需任何外圍器件自動進行可靠的上電復位，并且對軟件運行狀況和外界電源狀況進行監(jiān)視；實現程序失控后按自己設想的程序恢復執(zhí)行，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)的安全性和數據可靠性。CAN內核由CAN協(xié)議控制器和負責消息收發(fā)的串行并行轉換RXTX移位寄存器組成。消息RAM用于存儲消息目標和每個目標的仲裁掩碼。這種CAN處理器有32個隨意配置為發(fā)送和接受的消息目標，并且每一個消息目標都有它自己的識別掩碼，所有的數據傳輸和接收濾波都是由CAN控制器完成的，而不是由CIP-51來完成。這樣就可以減少CAN的處理時間。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文19CAN內部寄存器中存儲了所有CAN的控制和配置信息，其中包括控制寄存器、狀態(tài)寄存器、設置波特率的位定時寄存器、測試寄存器、錯誤計數器和消息接口寄存器。通常CAN內核不能直接訪問消息RAM，而必須通過接口寄存器IF1或IF2來訪問。另外，CIP-51的SFR并不能直接訪問CAN內部寄存器的所有單元，其配置CAN、消息目標、讀取CAN狀態(tài)以及獲取接收數據、傳遞發(fā)送數據都由SFR中的6個特殊寄存器來完成，其中CANOCN、CANOTST和CANOSTA3個寄存器可直接獲取或修改CAN控制器中對應的寄存器，而CANODATH、CAN0DATL、CANOADR3個寄存器主要用來訪問修改其它不能直接訪問的CAN內部寄存器，其中CANOADR用來指出要訪問寄存器的地址，CANODATH、CAN0DATL這時就相當于要訪問的位寄存器的高、低字節(jié)的映射寄存器，而對它們的讀寫則相當于對所指向寄存器的讀寫。圖2.2給出了CIP-51如何訪問中控制寄存器和每個消息的路徑圖。2.1.2PCA82C250總線收發(fā)器由于Cygnal的C8051F040內部的CAN控制器只是個協(xié)議控制器，不能提供物理層驅動，所以在使用時還需外加CAN總線收發(fā)器，常用的CAN總線收發(fā)器有Philips公司的PCA82C250收發(fā)器、高速TJA1050收發(fā)器等。這里使用的是PCA82C250收發(fā)器.它可提高總線的差動發(fā)送和接收能力。它與ISO11898標準完全兼容，有三種不同的工作方式，即高速、斜率控制和待機，可根據實際情況選擇。位速度可高達1Mbits。PCA82C250能驅動大量的總線節(jié)點即每個網絡64到100個同時總線長度可達0.5到1km。圖2.3為PCA82C250器件外觀圖哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文20圖2.3PCA82C250器件外觀圖PCA82C250提供了一個參考電壓輸出VREF，它可以用于偏置CAN協(xié)議控制器差動輸入比較器的其中一個輸入參考電壓，在協(xié)議控制器輸入處產生系統(tǒng)使用哪個解決方法更適合由應用和協(xié)議控制器的總線輸出結構決定。PCA82C250共有三種不同的工作模式通過控制Rs引腳選擇是那一種模式。第一種模式是高速模式：它支持最大的總線速度和長度。第二種是斜率模式：當使用非屏蔽的總線電纜時可以考慮使用這種模式的輸出轉換速度可被故意降低以減少電磁輻射。第三種是準備模式：這種模式在電池供電的應用要求系統(tǒng)功率消耗非常低的應用中非常有用在準備模式中傳輸一個報文就可以將系統(tǒng)激活，是收發(fā)器在準備模式和普通工作模式間切換的例子。CAN總線網絡中可使用的最大總線線路長度基本是由下面的物理條件作用決定：1連接的總線節(jié)點CAN控制器收發(fā)器等等的循環(huán)延遲以及總線線路的延遲。2由于節(jié)點間相關的振蕩器容差造成位定時額度的不同。3由于總線電纜的串聯阻抗和總線節(jié)點的輸入阻抗使信號的幅值下降。PCA82C250可以在高速模式下使用下面的總線電纜長度其中為了獲得最大的傳播延遲CAN位定時參數可以優(yōu)化位速度與哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文21總線長度的關系，表2.1為總線長度與位速率的關系。表2.1總線長度與位速率的關系C8051F040與PCA82C2的通訊硬件模塊硬件電路度如圖2.3所示。圖2.3:總線CAN接口電路圖為了進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，具體的連接方式為：在CAN控制器引腳CANTX、CANRX和收發(fā)器PCA82C250之間并不是直接相連，而是通過由高速光耦6N137構成的隔離電路后再與PCA82C250相連，這樣就可以很好的實現總線上各節(jié)點的電氣隔離。這部分增加了節(jié)點的復雜性，但它卻提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。在PCA80C250與CAN總線接口部分也采用了一些安全和抗干擾措施。PCA82C250的CANH和CANL引腳各自通過一個5的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，從而保護PCA82C250免受過流的沖擊。在CANH和CANL與地之間各自接一個30pF的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和防電磁輻射的能力。另外，在CANH和CANL之間并聯一個15V的瞬哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文22態(tài)電壓抑制二極管（TVS），可以保護PCA80C250在瞬間高電壓情況下而不受損壞。PCA82C250的RS腳上接有一個下拉電阻，電阻的大小可根據總線速率適當的調整，其值一般在16k140k之間，圖2中選用47k。C8051F040供電電源為2.7V3.6V其所有IO口允許5V（極限值為5.8V）輸入，但是IO輸出電平為VDD。而PCA82C250為5V系統(tǒng)，為了能夠驅動其工作，在CANTX引腳上拉一上拉電阻，其值為4.7k。2.1.32.1.3通訊擴展器件TL16C554在異步串行通信中，一般都要求設備的串行口要符合RS232、RS485422等串行通信標準，并按該標準定義的信號進行信息控制和數據傳輸，能夠實現該功能的集成電路通常稱為UART，即通用異步接收器發(fā)送器。利用C8051F040構成主從式多機串行通信系統(tǒng)時發(fā)現，主機C8051F040要與四個RS422器件進行串行通訊，此時便有必要進行串口擴展，此時采用4通道異步收發(fā)器TLI6C554顯然是一種較好的選擇。TLI6C554是TI公司生產的4通道異步收發(fā)器集成芯片，在FIFO模式下，傳輸和接收前將數據緩沖為16字節(jié)數據包，減少了CPU的中斷數量。內部包含4片改良的16C550異步傳輸器件，使得串行IO更加可靠，每個信道可實現串行和并行兩種連接方式的轉換，每個信道的狀態(tài)可以通過CPU的操作讀取，可以獲取操作情況或任何的錯誤狀態(tài)。三態(tài)輸出為雙向數據總線和控制總線提供1TrL驅動能力、優(yōu)先級中斷系統(tǒng)控制、可編程的串行接口特性。TLI6C554的主要特點如下：內部包含4片TLI6C55最高可達1M的波特率，且波特率發(fā)生器可用軟件設定；帶有16字節(jié)帶錯誤標志的接收FIFO緩沖器；具有可編程的串行數據發(fā)送格式，數據位長度為5、6、7、8；具有偶校驗、奇校驗或無校驗模式，停止位長度為1、1.5、2；具有標準的調制解調器接口；有68引腳PLCC和80引腳TQFP兩種封裝形式。TL16C554的引腳功能TL16C554哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文23的引腳排列如圖2.4所示，其主要引腳的功能如下：A0A2為片內寄存器的選擇信號端；DOD7為雙向812數據線；IOR為讀選通端(低電平有效)；IOW為寫選通端(低電平有效)；INTAINTD為中斷，A、B、C、D端(高電平有效CSACSD為片選A、B、C、D(低電平有效)XTAL1、XTAL2為外部時鐘端，該兩腳可接晶振或外部時鐘信號；RXARXD為串行輸入A、B、C、D端；TXATXD為串行輸出A、B、C、D端；RXRDY為接收準備好信號端(低電平有效TXRDY為發(fā)送準備好信號端(低電平有效)。圖2.4TL16C554封裝形式TL16C554的數據線(D7D0)可直接與CPU的數據總線的低8位相連，它們是UART的數據輸入和輸出通道。它的參考時鐘既可以由外部提供，也可以通過一個晶振在內部產生。而UART與CPU之的通信控制通過一組信號線來實現，這組信號線包括復位控制RESET、通道選擇、寄存器選擇、中斷請求、讀選通端IOR和寫選哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文24通端IOW等。MODEM控制邏輯主要用于完成UART與RS232之間的接口通信，這些信號通過EIA驅動器驅動后均符合RS232標準。TL16C554的片內寄存器ACE內部共有11個寄存器，這些寄存器分別用于實現通信參數的設置、對線路及MODEM的狀態(tài)訪問、數據的發(fā)送和接收以及中斷管理等功能。可由A0、A1、A2三條片內寄存器選擇線和線路控制寄存器的除法數鎖存器訪問位DLAB一起通過多路復用進行訪問或控制ACE的任何一個寄存器。表2為訪問這些寄存器時DLAB和A0、A1、A2的狀態(tài)。表2寄存器地址因為接收發(fā)送緩沖寄存器的DLAB、A0、A1、A2各位都相同，因此還必須通過讀寫信號來加以區(qū)分。利用TL16C554擴C8051F040串口的硬件電路由于異步串行通信中，字符的到達時間及間隔時間往往無法預測，此時如果采用查詢方式將會浪費大量的CPU時間，降低系統(tǒng)的性能。在實際