基于STM 32的RS232-CAN通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)計

王英志，楊 佳，韓太林

（1. 長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022；2. 吉林建筑工程學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院，長春 130021）

0 引言

目前，RS232接口和CAN總線接口廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備之間的通信。它們各有特點，應(yīng)用在不同領(lǐng)域。RS232通信距離短，接口容易損壞。CAN總線具有多點通信、組網(wǎng)方便，傳輸距離遠(yuǎn)，通信實時性好，糾錯能力強，成本低等特點，能更好地匹配和協(xié)調(diào)各個控制系統(tǒng)[1]。基于兩種接口特點，本文介紹一種實現(xiàn)RS232接口設(shè)備與CAN總線設(shè)備進(jìn)行通信的轉(zhuǎn)換器，更好的解決用戶在地域、通信網(wǎng)絡(luò)、接口協(xié)議等方面的矛盾。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

RS232-CAN通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)計，主要是完成RS232與CAN總線之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)通信。在通信過程中，為了使系統(tǒng)具有通用性和穩(wěn)定性，對供電電源、通信隔離、防雷電等方面進(jìn)行了特殊設(shè)計。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

1.1 單片機選擇

選用意法半導(dǎo)體公司ARM Co rtex?-M 3核的32位STM 32F103C8單片機，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體運行。單片機特點為：最大時鐘頻率為72MHz，3個16位定時器，其內(nèi)部集成CAN2.0控制器、USART接口和USB2.0全速接口等，調(diào)試模式為SWD和JATG接口。單片機的PA9和PA10引腳用來做串口數(shù)據(jù)的收發(fā)，PA11和PA12引腳用來做CAN數(shù)據(jù)的收發(fā)。

1.2 電源模塊設(shè)計

電源模塊設(shè)計框圖如圖2所示。選用LM 2574-ADJ實現(xiàn)輸入交流或者直流的電壓范圍為3.5V-40V，產(chǎn)生5V電壓，為隔離電源和ASM 1117-33供電。ASM 1117-33產(chǎn)生3.3V電壓為單片機供電；隔離電源選用MORNSUM公司的IB0505LS-1W，產(chǎn)生5V隔離電壓為CAN收發(fā)器ISO1050DUB副邊供電。

圖2 電源模塊設(shè)計框圖

1.3 CAN總線接口設(shè)計

單片機STM 32F103C8集成CAN2.0控制器。CAN收發(fā)器選擇TI公司的ISO1050DUB，把CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平。ISO1050DUB的主要特點為：具有2500-VRMS電氣隔離；提供-27V到40V的總線故障保護，增強系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性；符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，可以與其他ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的CAN收發(fā)器互連。CAN總線接口電路設(shè)計如圖3所示，與文獻(xiàn)[2]和[3]相比較，該電路具有電路簡單、PCB尺寸小、集成度高、放靜電、抗雷電的隔離功能等優(yōu)點。

在使用過程中，雷電可能對轉(zhuǎn)換器中其他電子器件及數(shù)據(jù)的實時、可靠通信產(chǎn)生很大的影響[4]。因此參考浪拓電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的浪涌保護器件瞬態(tài)抑制二極管NUP2105、氣體放電管BA401N等，設(shè)計轉(zhuǎn)換器的通信系統(tǒng)。NUP2105是一個雙向瞬態(tài)電壓抑制器，用來保護高速和容錯CAN總線中的收發(fā)器免受EM I和ESD的影響。在圖3中，BA401N、NUP2105吸收瞬態(tài)電壓的能量，以避免損壞CAN收發(fā)器。NUP2105設(shè)計為雙向配置，防止在長電纜系統(tǒng)中由于共模電壓失調(diào)而對正常的數(shù)據(jù)線路信號造成鉗位，NUP2105L的小電容適合用于數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1Mb it/s的系統(tǒng)，圖中SMD014為自恢復(fù)保險絲。設(shè)計達(dá)到抑制ESD和EM I的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過可靠接地，在雷電等惡劣環(huán)境下，起到很好的保護作用。

圖3 CAN總線接口電路圖

1.4 RS232接口設(shè)計

RS232協(xié)議用正負(fù)電壓表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)律不同。為了實現(xiàn)計算機接口或者終端為TTL器件連接，必須在RS232接口與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。本設(shè)計采用的RS232電平轉(zhuǎn)換器為MAXIM公司的MAX3232，電路設(shè)計如圖4所示。為了保證安全的通信隔離，MAX3232與CAN收發(fā)器ISO1050DUB的原邊共用一個電源。

圖4 RS232接口電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

程序是在KEIL公司Keil u Vision4環(huán)境下開發(fā)的，子程序包括：UART初始化，CAN初始化，軟件FIFO初始化，UART串口接收中斷服務(wù)程序，UART發(fā)送中斷服務(wù)程序，CAN接收中斷服務(wù)程序，CAN發(fā)送中斷服務(wù)程序，參數(shù)設(shè)置、存儲子程序，參數(shù)存儲地址遍歷程序等。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

由于STM 32的UART沒有緩存寄存器，而其CAN控制器在接收端有2個3級深度的FIFO、發(fā)送端有3個發(fā)送郵箱。UART是以字節(jié)為單位發(fā)送數(shù)據(jù)，CAN是以可配置的多字節(jié)（小于9個字節(jié)）組成的幀為發(fā)送單位。所以有必要把接收到的CAN數(shù)據(jù)打包給串口發(fā)給上位機。另外結(jié)合CAN傳輸速率可最大化利用內(nèi)存內(nèi)建FIFO[5]。在UART向CAN發(fā)送數(shù)據(jù)的時候先打包在FIFO，再傳遞給CAN控制器，UART在接收的時候，從FIFO中依次讀出解包的數(shù)據(jù)。UART發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖如圖6所示。

圖6 UART發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

UART接口軟件包括：UART初始化、UART發(fā)送數(shù)據(jù)程序、UART接收數(shù)據(jù)程序。UART初始化包含：數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位位數(shù)、校驗?zāi)Ｊ健鬏敳ㄌ芈?、工作模式等。CAN接口程序包括：CAN初始化、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送程序、CAN數(shù)據(jù)接收程序。CAN初始化包含：地址設(shè)定、波特率設(shè)置、標(biāo)識符過濾設(shè)置、工作模式等。FIFO初始化是在總程序初始化的時候建立的。根據(jù)UART、CAN雙方的傳輸速度及CAN數(shù)據(jù)格式和打包模式可以最大限度的利用內(nèi)存內(nèi)建FIFO。

3 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用實例

轉(zhuǎn)換器的硬件與軟件設(shè)計好后，對轉(zhuǎn)換器進(jìn)行實際應(yīng)用。在物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，CAN總線設(shè)備組成CAN網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境的溫濕度、土壤PH值等參數(shù)進(jìn)行實時檢測，把檢測數(shù)值傳送給中央控制室的PC機，PC機根據(jù)參數(shù)數(shù)值控制CAN網(wǎng)絡(luò)中的執(zhí)行單元，對土壤灌溉或者通風(fēng)等。CAN網(wǎng)絡(luò)與PC機進(jìn)行通信中，使用了所設(shè)計的CAN總線與RS232的協(xié)議轉(zhuǎn)換器。使用中將串口速率設(shè)置為每秒57.6kbit，CAN總線接口的通信速度設(shè)置為每秒125kb it。經(jīng)過實際驗證，在CAN系統(tǒng)的發(fā)送速率在每秒100幀以下時，能夠保證上位機接收到所有的數(shù)據(jù)幀，而不發(fā)生丟幀事故。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種基于STM 32單片機的RS232-CAN總線通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器，從硬件和軟件兩個方面對其進(jìn)行了介紹。轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)串口協(xié)議與CAN總線協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，能夠?qū)崿F(xiàn)多點的CAN總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與單點的串口數(shù)據(jù)進(jìn)行透明傳輸。在物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，取得很好效果，具有一定工程意義。該轉(zhuǎn)換器體積小，成本低，便于實現(xiàn)，易于推廣。

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