CN103293995B - 基于微控制器的现场总线通信模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微控制器的现场总线通信模块，包括：应用接口模块、数据交换模块和现场总线接口模块，应用接口模块与外部设备相连，应用接口模块进一步包括数据交换单元，数据交换单元基于双口RAM，并通过双口RAM分别与外部设备和数据交换模块进行数据交换。数据交换模块包括处理单元，处理单元采用自带的本地总线接口方式访问数据交换单元的双口RAM。现场总线接口模块与外部的现场总线相连，用于隔离数据交换模块的处理单元与外部的现场总线之间的信号干扰。本发明可用于任何CAN总线通信场合，电路结构简洁、通信速率快、实时性强、成本低廉、通用性好，可接入到各控制系统中。

Description

基于微控制器的现场总线通信模块

技术领域

本发明涉及一种总线通信模块，特别是涉及一种应用于工业自动化控制的基于微控制器的现场总线通信模块。

背景技术

目前，工业控制领域大量使用现场总线通信系统，所以大量的设备都需要接入到总线系统中。而现在大部分的通信模块接入总线控制系统的应用接口都是采用PCI、cPCI/PXI、PC104/PC104+、PCMCIA、VXI等并行接口，或采用串行接口，如：RS232、RS485、USB等CAN通信网关的形式。PCI、PC104等并行接口，以及USB、RS485等串行接口作为标准的工业总线应用非常广泛，但是其作为应用接口，必须得到具有接口协议控制器的支持。但是，有些微控制器并没有自带这些控制接口，需要通过外接控制芯片的方式来完成数据交换。这样一来，就增加了电路的复杂度，同时减少了应用的通用性。

而随着分布式电子控制系统在工业控制领域的广泛应用，现场总线已成为工业数据总线中最为活跃的一个领域。如：CAN总线就是当前应用最为广泛的一种通用现场总线标准，CAN全称为“ControllerAreaNetwork”，即控制器局域网络，由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发，并最终成为国际标准（ISO11898），是国际上应用最广泛的现场总线之一。与其它现场总线比较而言，CAN总线具有通信速率高、容易实现、且性价比高，数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性的特点。CAN控制器工作于多种方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权（取决于报文标识符）采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，并且CAN协议的一个最大的特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制。由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。

CAN总线通信模块应用接口可采用两种方式，一种是并行接口，接入到主控制系统中，将CAN总线上的数据转换为并行数据供微控制器处理，主要的接口有PCI、cPCI/PXI、PC104/PC104+、PCMCIA、VXI等。另一种是采用串行接口的方式，类似一种网关模块，将CAN总线的数据转换成另一种总线的数据，供系统处理使用，主要的接口有USB、RS485、RS232等。并行接口方案通讯速率快，能实时对数据进行处理，但是有些微控制器并没有包含其通信总线接口，必须采用协议控制接口电路的方案，所以电路结构较复杂，成本较高。串行接口方案能将CAN总线转换成另一种总线结构，应用范围也很广泛，但是也有以上同样的问题，电路结构较复杂，并且通信速率较并行接口方式低，基本不能参与实时控制。

以PCI接口的CAN总线通信模块为例，大部分的微控制器芯片都没有自带PCI控制器接口，需要外扩一个协议控制芯片，来完成数据的交换。又以USB转CAN总线通信模块为例，该模块需要设备带有USB的控制装置，并且通过串行协议进行转换，这样就增加了数据传输的时间，降低了控制的实时性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微控制器的现场总线通信模块，该模块可用于任何CAN总线通信场合，电路结构简洁、通信速率快、实时性强、成本低廉，且通用性好，可接入到各控制系统中。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种基于微控制器的现场总线通信模块的技术实现方案，一种基于微控制器的现场总线通信模块，包括：应用接口模块、数据交换模块和现场总线接口模块，所述应用接口模块与数据交换模块相连，所述数据交换模块与现场总线接口模块相连；

所述应用接口模块与外部设备相连，所述应用接口模块进一步包括数据交换单元，所述数据交换单元还包括双口RAM单元，并通过双口RAM单元分别与所述外部设备和数据交换模块进行数据交换；

所述数据交换模块包括处理单元，所述处理单元采用自带的本地总线接口方式访问所述数据交换单元的双口RAM单元；

所述现场总线接口模块与外部的现场总线相连，用于隔离所述数据交换模块的处理单元与所述外部的现场总线之间的信号干扰。

作为本发明一种基于微控制器的现场总线通信模块技术方案的进一步改进，所述应用接口模块还包括应用连接单元，所述应用连接单元连接在所述外部设备与双口RAM单元之间。所述数据交换模块的处理单元通过连接所述双口RAM单元的一套地址线、数据线和控制线，实现包括数据的存储和读写在内的操作。所述双口RAM单元包括另一套独立的地址线、数据线和控制线，所述处理单元通过所述双口RAM单元的另一套地址线、数据线和控制线与所述外部设备进行数据交互。

作为本发明一种基于微控制器的现场总线通信模块技术方案的进一步改进，所述双口RAM单元允许处理单元和外部设备独立地对不同存储区进行寻址操作。

作为本发明一种基于微控制器的现场总线通信模块技术方案的进一步改进，所述现场总线接口模块包括总线隔离单元、总线收发单元和总线接口单元。所述总线隔离单元分别与所述数据交换模块的处理单元、总线收发单元相连，所述总线收发单元还与所述总线接口单元相连，所述总线接口单元还与外部的现场总线相连。

作为本发明一种基于微控制器的现场总线通信模块技术方案的进一步改进，所述数据交换单元还包括复位引脚、忙状态引脚和中断请求引脚。所述复位引脚用于复位所述现场总线通信模块，所述忙状态引脚用于输出现场总线通信模块工作忙状态信号，所述中断请求引脚用于输出现场总线通信模块中断请求信号。

作为本发明一种基于微控制器的现场总线通信模块技术方案的进一步改进，所述处理单元采用自带的本地总线接口，所述处理单元通过中断或轮询方式访问所述数据交换单元的双口RAM单元。

作为本发明一种基于微控制器的现场总线通信模块技术方案的进一步改进，当进行大量连续数据传输时，所述外部设备与数据交换单元的双口RAM单元之间通过应用程序握手机制进行数据交换，确保通信的安全性和数据的完整性。

作为本发明一种基于微控制器的现场总线通信模块技术方案的进一步改进，所述数据交换模块还包括串口单元，所述串口单元与所述处理单元相连，所述串口单元用于所述处理单元的程序调试和下载。所述串口单元包括瞬态电压抑制器，用于程序调试和下载过程中对所述处理单元进行双向瞬间浪涌防护。

作为本发明一种基于微控制器的现场总线通信模块技术方案的进一步改进，所述数据交换模块的处理单元采用自带现场总线控制器的微控制器或微处理器，或采用不带现场总线控制器的微控制器或微处理器外扩现场总线控制器的方式。

作为本发明一种基于微控制器的现场总线通信模块技术方案的进一步改进，所述处理单元采用ARM7内核的LPC2294微处理器芯片。所述双口RAM单元采用包含2KB大小应用接口的IDT7132双口RAM芯片。

作为本发明一种基于微控制器的现场总线通信模块技术方案的进一步改进，所述现场总线接口模块采用CAN总线通信接口。

作为本发明一种基于微控制器的现场总线通信模块技术方案的进一步改进，所述处理单元的CPU芯片采用标准34针应用连接件与所述外部设备相连。

通过实施上述本发明一种基于微控制器的现场总线通信模块的技术方案，具有以下技术效果：

（1）本发明采用并行接口的方式，使用微控制器或是微处理器均自带的本地总线接口，通过双口RAM的方式进行数据访问，电路结构简单、通信速率快、实时性强、成本低廉，而且通用性好，可接入到各种控制系统当中；

（2）本发明使用微控制器或是微处理器均自带的本地总线接口，微控制器的本地总线接口是所有微控制器或微处理器均自带的通信接口，使用普遍且简单、集成度高、兼容性及灵活性好；

（3）本发明采用本地总线作为应用接口的方案，无需扩充任何接口协议控制器，其电路结构简单、设计周期短、成本低廉，能迅速接入到控制系统中，完成数据的交换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明基于微控制器的现场总线通信模块一种具体实施方式的系统结构功能框图；

图2是本发明基于微控制器的现场总线通信模块一种具体实施方式的电路结构原理框图；

图3是本发明基于微控制器的现场总线通信模块一种具体实施方式电源转换单元的电路原理图；

图4是本发明基于微控制器的现场总线通信模块一种具体实施方式复位单元的电路原理图；

图5是本发明基于微控制器的现场总线通信模块一种具体实施方式处理单元的电路原理图；

图6是本发明基于微控制器的现场总线通信模块一种具体实施方式时钟单元的电路原理图；

图7是本发明基于微控制器的现场总线通信模块一种具体实施方式串口单元的电路原理图；

图8是本发明基于微控制器的现场总线通信模块一种具体实施方式数据交换单元的电路原理图；

图9是本发明基于微控制器的现场总线通信模块一种具体实施方式总线收发单元的电路原理图；

图10是本发明基于微控制器的现场总线通信模块一种具体实施方式总线隔离单元的电路原理图；

图11是本发明基于微控制器的现场总线通信模块一种具体实施方式的程序结构示意图；

图12是本发明基于微控制器的现场总线通信模块一种具体实施方式的程序执行流程图；

图中：1-应用接口模块，2-数据交换模块，3-现场总线接口模块，10-数据交换单元，11-应用连接单元，12-双口RAM单元，21-处理单元，22-串口单元，23-显示单元，24-第一电源转换单元，25-第二电源转换单元，26-时钟单元，27-复位单元，31-总线隔离单元，32-总线收发单元，33-总线接口单元，34-直流电源转换单元。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

DC/DC：指直流转直流电源。DC/DC变换是将原直流电通过调整其PWM（占空比）来控制输出的有效电压的大小。

LDO：（LowDropoutRegulator），意为低压差线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。

TVS：（TransientVoltageSupressor），意为瞬态电压抑制器。TVS管是一种二极管形式的高效能保护器件。

DPRAM：（DualPartMemory），意为双端口存储器。DPRAM是在一个SRAM存储器上具有两套完全独立的数据线、地址线和读写控制线，并允许两个独立的系统同时对该存储器进行随机性的访问。即共享式多端口存储器。

API：（ApplicationProgrammingInterface），意为应用程序编程接口。API是一些预先定义的函数，目的是提供应用程序与开发人员基于某软件或硬件的以访问一组例程的能力，而又无需访问源码，或理解内部工作机制的细节。

另外，为了便于描述，本发明具体实施方式采用CAN总线通信协议作为一种典型的现场总线通信协议进行描述，在此不应当理解为是对本发明保护范围的一种限制，本发明所采用的现场总线通信接口的保护范围包括但不限于CAN总线通信接口。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1-12所示，给出了本发明一种基于微控制器的现场总线通信模块的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示的一种基于微控制器的现场总线通信模块的具体实施方式，包括：应用接口模块1、数据交换模块2和现场总线接口模块3，应用接口模块1与数据交换模块2相连，数据交换模块2与现场总线接口模块3相连。

应用接口模块1与外部设备相连，应用接口模块1进一步包括数据交换单元10，数据交换单元10包括双口RAM单元12，并通过双口RAM单元12分别与外部设备和数据交换模块2进行数据交换。应用接口模块1可以方便地与任何具有并行数据/地址总线的微控制器，或者是处理器进行集成。外部设备通过本地总线实现与现场总线通信模块的数据交换。数据交换模块2进一步包括处理单元21，处理单元21采用自带的本地总线接口方式访问数据交换单元10的双口RAM单元12。

现场总线接口模块3通过标准DB9接口与外部的现场总线相连，用于隔离数据交换模块2的处理单元21与外部的现场总线之间的信号干扰。现场总线接口模块3采用电隔离设计，并且依据CAN总线标准设计。总线协议完全由基于微控制器的现场总线通信模块来处理，不需要任何应用控制器的干预。

如附图1所示，数据交换单元10进一步包括应用连接单元11，应用连接单元11连接在外部设备与双口RAM单元12之间。数据交换模块2的处理单元21通过连接双口RAM单元12的一套地址线、数据线和控制线，实现包括数据的存储和读写在内的操作。双口RAM单元12包括另一套独立的地址线、数据线和控制线，处理单元21通过双口RAM单元12的另一套地址线、数据线和控制线与外部设备进行数据交互。双口RAM单元12允许处理单元21和外部设备独立地对不同存储区进行寻址操作。

现场总线接口模块3进一步包括总线隔离单元31、总线收发单元32和总线接口单元33。总线隔离单元31分别与数据交换模块2的处理单元21、总线收发单元32相连，总线收发单元32还与总线接口单元33相连，总线接口单元33还与外部的现场总线相连。

数据交换单元10还进一步包括复位引脚、忙状态引脚和中断请求引脚，复位引脚用于复位现场总线通信模块，忙状态引脚用于输出现场总线通信模块工作忙状态信号，中断请求引脚用于输出现场总线通信模块中断请求信号。数据交换单元10包括两套复位引脚、忙状态引脚和中断请求引脚，一套与处理单元21相连，另一套外部设备相连。

处理单元21进一步采用自带的本地总线接口，通过中断或轮询方式访问数据交换单元10的双口RAM单元12。而当进行大量连续数据传输时，外部设备与数据交换单元10的双口RAM之间通过应用程序握手机制进行数据交换，确保通信的安全性和数据的完整性。

数据交换模块2还进一步包括串口单元22、显示单元23、第一电源转换单元24、第二电源转换单元25、时钟单元26和复位单元27。串口单元22、显示单元23、第一电源转换单元24、第二电源转换单元25、时钟单元26和复位单元27均分别与处理单元21相连。串口单元22用于处理单元21的程序调试和下载。显示单元23用于指示系统运行状态和总线状态。第一电源转换单元24和第二电源转换单元25对输入电源电压进行转换，并提供给现场总线通信模块内部各芯片使用。时钟单元26为处理单元21的CPU芯片提供时钟来源。复位单元27为处理单元21的CPU芯片提供周期性的喂狗信号，确保现场总线通信模块程序的正常运行。串口单元22还进一步包括瞬态电压抑制器（TVS），瞬态电压抑制器设置在串口单元22的对外接口端，用于程序调试和下载过程中对处理单元21进行双向瞬间浪涌防护。

数据交换模块2的处理单元21采用自带现场总线控制器的微控制器或微处理器，或采用不带现场总线控制器的微控制器或微处理器外扩现场总线控制器的方式。作为一种典型的实施方式，处理单元21进一步采用ARM7内核的LPC2294微处理器芯片，处理单元21的微处理器芯片采用标准34针应用连接件与外部设备相连。在实际使用过程中，本发明具体实施方式描述的总线通信模块作为一块子板嵌入到另外的母板上，34针应用接口连接件用于与母板进行连接，34针应用接口连接器可以根据实际需求进行更改，并不局限于使用34针应用接口。作为一种典型的实施方式，上述现场总线控制器采用CAN总线控制器。双口RAM单元12采用包含2KB大小应用接口的IDT7132双口RAM芯片。

如附图2所示为本发明具体实施方式基于微控制器的现场总线通信模块的电路结构原理框图。基于微控制器的现场总线通信模块主要包括：数据交换单元10、处理单元21、串口单元22、显示单元23、第一电源转换单元24、第二电源转换单元25、时钟单元26、复位单元27、总线隔离单元31、总线收发单元32、总线接口单元33和直流电源转换单元34。以下结合附图对实施例中各个电路模块进行具体描述。

如附图3所示为第一电源转换单元24和第二电源转换单元25的电路原理图。本发明具体实施方式描述的基于微控制器的现场总线通信模块只需外部提供DC5V电源。因此，通过现场总线通信模块上的LDO电源芯片对电源电压进行转换，分别转为DC3.3V和DC1.8V，提供给内部各芯片使用。其中，附图3中上半部分的VCC5.0为外部引入的DC5V电源，输入电压的范围可以在2.7V～10V之间，通过调节电阻R101和R100之间电阻比值，控制输出电压为3.3V。附图3中下半部分的VCC3.3为附图3中上半部分中的输出稳定电压3.3V，通过调节电阻R111和R110之间电阻比值，控制输出电压为1.8V，输入输出引脚外接电容为了提高内部LDO的电源稳定性。

如附图5所示为处理单元21的电路原理图。其中，处理单元21的CPU芯片采用PHILIPS公司的LPC2294芯片，LPC2294是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32ARM7TDMI-SCPU的微控制器，并带有128/256k字节（KB）嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。由于LPC2294具有极低的功耗、多个32位定时器、4路10位ADC、2/4路CAN或8路10位ADC、4路CAN以及多达9个外部中断。对CPU电路主要涉及了其串口控制（UART）、CAN控制、看门狗复位、DPRAM存储访问和在线调试及程序下载。

如附图6所示为时钟单元26的电路原理图。现场总线通信模块的时钟单元26采用11.0592MHZ的晶振芯片，通过在CPU芯片中设置倍频来为CPU的内核和外设提供时钟来源，保证芯片的正常运转。

如附图4所示为复位单元27的电路原理图。复位单元27的电路采用一块型号为TPS3305的看门狗芯片，通过CPU周期性的提供给看门狗芯片的喂狗信号，确保现场总线通信模块的程序正常运行，如果现场总线通信模块的软件程序运行异常，出现喂狗信号丢失，看门狗芯片即会对CPU芯片的系统进行复位，重新确保现场总线通信模块的稳定工作。同时，此复位单元27的电路还具有手动复位功能，可以根据需要对整个CPU芯片的系统进行手动复位。

如附图7所示为串口单元22的电路原理图。在具体实施方式中，现场总线通信模块的CPU芯片具有UART串口控制器，可为系统提供程序调试及下载接口。串口单元22的电路采用了MAXIM公司的MAX3223EIDB芯片。此芯片具有15kv的ESD防护能力，3.0～5.5V的宽电压工作范围，同时具有最高500Kbit/s的通讯速率。该串口单元22的电路加入了TVS管，具有双向的瞬间浪涌防护能力。

如附图8所示为数据交换单元10的电路原理图。现场总线通信模块与外部设备之间采用DPRAM进行数据交换，采用IDT7132作为DPRAM芯片，包含2KB大小的应用接口。数据交换单元10的内部通过CPU芯片连接DPRAM的一套地址线、数据线、控制线，实现数据的存储、读写等操作。外部设备同样也是通过另一套地址线、数据线、控制线进行操作，通过此原理实现现场总线通信模块与外部设备之间的数据交互，在处理外部设备和内部CPU芯片同时读写DPRAM的数据时，采用读写标志位和BUSY信号控制，防止造成同时读写数据冲突。

如附图9所示为总线收发单元32的电路原理图。总线收发单元32的电路采用SN65HVD251D芯片完成CAN物理层信号电压的转换。

如附图10所示为总线隔离单元31的电路原理图。总线隔离单元31的电路采用ADUM5402CRWZ芯片完成CAN总线信号的隔离，防止通信线上的干扰，并且该芯片还提供5V隔离电源。

如附图11所示，现场总线通信模块的软件结构主要分为以下部分：引导程序层、底层硬件驱动程序层、CAN驱动程序API、串口驱动API，以及应用层程序，各个部分主要实现如下功能。

需要特别指出的是，上述包括CAN总线通信接口，以及34芯标准应用接口在内的接口均可以使用其他接口方案。

引导程序层：主要实现CPU芯片的内部存储器的规划、程序的存放位置初始化、七种工作模式定义、异常模式的处理，堆栈的生成、时钟设定、中断设定和中断函数的初始化、主程序入口设定等。

底层硬件驱动程序层：主要实现CAN总线通信相关寄存器的配置，串口相关寄存器的配置、看门狗芯片IO的设置、DPRAM的寄存器设置初始化。

CAN驱动程序API：主要实现CAN总线通信相关寄存器的操作函数、CAN收发函数，以及CAN异常的处理及总线管理。

串口驱动API：主要实现UART总线通信寄存器的操作函数、UART数据收发函数和通信异常管理。

应用层程序：主要实现CAN总线通信节点的应用函数，UART串口的应用和数据管理，同时也实现CAN与UART总线通信串口网关及数据管理等功能。

如附图12所示为本发明基于微控制器的现场总线通信模块一种具体实施方式的程序执行流程图。其中，CAN总线通信控制只需具有挂起状态、运行状态、错误状态、休眠状态和错误锁定状态，这些状态切换可以通过内部状态寄存器SM位和数据来转换。错误状态是在当运行状态发送和接受数据过程出现错误达到一定次数后出现。在运行状态下也可以通过判断SM位（CAN总线控制器中模式寄存器的SM位）的值来确定是否进入休眠状态。

在实际应用过程当中，本发明具体实施方式所描述的现场总线通信模块可以集成到各种工业现场设备中，以实现现场总线（如：CAN总线）网络系统通信控制，满足这些设备与其它自动化装置通讯的需要。现场总线通信模块自带高性能微控制器，独立于主应用程序而单独处理总线通信协议。微控制器与CAN总线接口间加入通信隔离装置，解决了CAN总线线路上的外界信号干扰。在具体实施方式中，CAN总线通信模块采用并行接口的方式，使用微控制器自带的本地总线接口作为应用接口，使用普遍且简单、集成度高、兼容性及灵活性程度高。无需扩充任何接口协议控制器，电路结构简单、设计周期短、成本低廉，能迅速接入到控制系统中，完成数据的交换。通过双口RAM的方式进行数据访问，电路结构简单、通信速率快、成本低廉，且通用性好，可方便的接入到各种控制系统中。作为一种典型的实施方式，现场总线通信模块支持CAN2.0A/2.0B，以及其它自定义的协议方式。本发明具体实施方式所描述的基于微控制器的现场总线通信模块的典型应用范围包括：变频器、人机界面、可视化设备、仪器、衡器、机器人以及智能测量设备等领域。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的各示例中的单元，能够以电子硬件、计算机程序或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

执行程序模块的处理单元可以是中央处理器（CPU）、嵌入式处理器、微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、单片机、片上系统（SOC）、可编程逻辑器件，以及本技术领域内所公知的任意其他形式的具有控制、处理功能的器件。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于微控制器的现场总线通信模块，其特征在于，包括：应用接口模块（1）、数据交换模块（2）和现场总线接口模块（3），所述应用接口模块（1）与数据交换模块（2）相连，所述数据交换模块（2）与现场总线接口模块（3）相连；

所述应用接口模块（1）与外部设备相连，所述应用接口模块（1）进一步包括数据交换单元（10），所述数据交换单元（10）包括双口RAM单元（12），并通过双口RAM单元（12）分别与所述外部设备和数据交换模块（2）进行数据交换；

所述数据交换模块（2）包括处理单元（21），所述处理单元（21）采用自带的本地总线接口方式访问所述数据交换单元（10）的双口RAM单元（12）；

所述现场总线接口模块（3）与外部的现场总线相连，用于隔离所述数据交换模块（2）的处理单元（21）与所述外部的现场总线之间的信号干扰；

所述数据交换模块（2）的处理单元（21）采用自带现场总线控制器的微控制器或微处理器，或采用不带现场总线控制器的微控制器或微处理器外扩现场总线控制器的方式；

所述现场总线接口模块（3）包括总线隔离单元（31）、总线收发单元（32）和总线接口单元（33）；所述总线隔离单元（31）分别与所述数据交换模块（2）的处理单元（21）、总线收发单元（32）相连，用于实现CAN总线信号的隔离；所述总线收发单元（32）还与所述总线接口单元（33）相连，所述总线接口单元（33）与外部的现场总线相连，所述总线收发单元（32）用于实现CAN物理层信号电压的转换；

所述现场总线通信模块的软件结构包括引导程序层、底层硬件驱动程序层、CAN驱动程序API、串口驱动API和应用层程序；

引导程序层：用于实现所述处理单元（21）的CPU芯片内部存储器的规划、程序的存放位置初始化、工作模式定义、异常模式的处理，堆栈的生成、时钟设定、中断设定和中断函数的初始化、主程序入口设定；

底层硬件驱动程序层：用于实现CAN总线通信相关寄存器的配置，串口相关寄存器的配置、所述数据交换模块（2）的复位单元IO设置、双口RAM单元的寄存器设置初始化；

CAN驱动程序API：用于实现CAN总线通信相关寄存器的操作函数、CAN收发函数，以及CAN异常的处理及总线管理；

串口驱动API：用于实现UART总线通信寄存器的操作函数、UART数据收发函数和通信异常管理；

应用层程序：用于实现CAN总线通信节点的应用函数，UART串口的应用和数据管理，以及CAN与UART总线通信串口网关及数据管理功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于微控制器的现场总线通信模块，其特征在于：所述应用接口模块（1）还包括应用连接单元（11），所述应用连接单元（11）连接在所述外部设备与双口RAM单元（12）之间；所述数据交换模块（2）的处理单元（21）通过连接所述双口RAM单元（12）的一套地址线、数据线和控制线，实现包括数据的存储和读写在内的操作；所述双口RAM单元（12）包括另一套独立的地址线、数据线和控制线，所述处理单元（21）通过所述双口RAM单元（12）的另一套地址线、数据线和控制线与所述外部设备进行数据交互。

3.根据权利要求2所述的一种基于微控制器的现场总线通信模块，其特征在于：所述双口RAM单元（12）允许处理单元（21）和外部设备独立地对不同存储区进行寻址操作。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种基于微控制器的现场总线通信模块，其特征在于：所述数据交换单元（10）还包括复位引脚、忙状态引脚和中断请求引脚，所述复位引脚用于复位所述现场总线通信模块，所述忙状态引脚用于输出现场总线通信模块工作忙状态信号，所述中断请求引脚用于输出现场总线通信模块中断请求信号；所述数据交换单元（10）包括两套复位引脚、忙状态引脚和中断请求引脚，一套与所述处理单元（21）相连，另一套与所述外部设备相连。

5.根据权利要求4所述的一种基于微控制器的现场总线通信模块，其特征在于：所述处理单元（21）采用自带的本地总线接口，所述处理单元（21）通过中断或轮询方式访问所述数据交换单元（10）的双口RAM单元（12）。

6.根据权利要求5所述的一种基于微控制器的现场总线通信模块，其特征在于：当进行大量连续数据传输时，所述外部设备与数据交换单元（10）的双口RAM单元（12）之间通过应用程序握手机制进行数据交换，确保通信的安全性和数据的完整性。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于微控制器的现场总线通信模块，其特征在于：所述数据交换模块（2）还进一步包括串口单元（22）、显示单元（23）、第一电源转换单元（24）、第二电源转换单元（25）、时钟单元（26）和复位单元（27）；所述串口单元（22）、显示单元（23）、第一电源转换单元（24）、第二电源转换单元（25）、时钟单元（26）和复位单元（27）均分别与所述处理单元（21）相连；所述串口单元（22）采用UART总线通信，用于处理单元（21）的程序调试和下载；所述显示单元（23）用于指示运行状态和总线状态；所述第一电源转换单元（24）和第二电源转换单元（25）对输入电源电压进行转换，并提供给现场总线通信模块内部各芯片使用；所述时钟单元（26）为所述处理单元（21）的CPU芯片提供时钟来源；所述处理单元（21）的CPU芯片为所述复位单元（27）提供周期性的喂狗信号，确保现场总线通信模块程序的正常运行；所述串口单元（22）还包括瞬态电压抑制器，用于程序调试和下载过程中对所述处理单元（21）进行双向瞬间浪涌防护。

8.根据权利要求7所述的一种基于微控制器的现场总线通信模块，其特征在于：所述现场总线接口模块（3）采用CAN总线通信接口，CAN总线通信控制具有挂起状态、运行状态、错误状态、休眠状态和错误锁定状态，所述挂起状态、运行状态、错误状态、休眠状态和错误锁定状态的切换通过所述现场总线通信模块内部的状态寄存器SM位和数据来转换。

9.根据权利要求8所述的一种基于微控制器的现场总线通信模块，其特征在于：所述处理单元（21）采用ARM7内核的LPC2294微处理器芯片；所述双口RAM单元（12）采用包含2KB大小应用接口的IDT7132双口RAM芯片。

10.根据权利要求9所述的一种基于微控制器的现场总线通信模块，其特征在于：所述处理单元（21）的CPU芯片采用标准34针应用连接件与所述外部设备相连。