CN201571081U

CN201571081U - Can总线与串口总线协议转换器

Info

Publication number: CN201571081U
Application number: CN2009202462902U
Authority: CN
Inventors: 杜尚丰; 刘涛; 姜国权; 窦楠; 陈家敏; 万传飞
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2019-10-19

Abstract

本实用新型涉及工业控制通信技术领域，特别涉及一种CAN总线与串口总线协议转换器。该转换器包括主控制器，电连接CAN通信单元和串口单元，对数据进行转换并转发；CAN通信单元，电连接主控制器的MAX232芯片及MAX485芯片，具有与CAN总线连接的接口；串口单元，具有RS232接口和RS485接口；分别电连接主控制器的MAX232芯片及MAX485芯片。本实用新型可适用于RS-232及RS-485串口设备，根据不同的组网方式，采用不同总线接法，简单灵活；同时本实用新型引入串口无线通信单元，间接实现无线通信设备与CAN总线的通信，可用于测试无线通信的质量及监测CAN总线到串口总线设备的数据传输。

Description

CAN总线与串口总线协议转换器

技术领域

本实用新型涉及工业控制通信技术领域，特别涉及到一种CAN总线与串口总线协议转换器。

背景技术

在相当一段时期，串行接口总线依靠其连线少、总线结构简单、安装方便、价格低廉等优点，在对传送速度要求不太高的系统环境中占有一席之地，特别是远距离信息传输中串行接口总线发挥着不可替代的作用。随着单片机的广泛应用，为适应各种系统对于外部扩展及系统之间相互通讯的要求，各种串行接口应运而生，依靠其结构简单、灵活，串行接口总线在单片微机的开发应用中为自己开辟了新的生存环境，并为许多半导体厂商所接受。

工业现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。CAN(ControllerArea Network-控制器局域网络)属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。相比于串行接口总线，CAN总线具有以下的特性：报文的优先权、保证延迟时间、多主机制、多点接收、错误检测和错误标定。

对于传统工农业控制技术而言，串行接口RS-232/RS-485是应用非常普遍的串行通信技术，许多仪器仪表都带有RS-232/RS-485串行接口。由于RS-232串行接口的传输距离只有几十米，而RS-485串行接口最多也不过3000米，因此尽管现在的很多仪器设备可以通过串口来和外界进行通信，但是当用户要进行远距离大量数据进行数据发送时，普通串行接口就不能满足需求了。而通过改造仪器设备，使之具备远距离高速通讯功能，很显然是个高成本、低效率的事情，在不断投入新型工业现场总线的同时，要在短期内改造或淘汰这些旧设备是不现实的。在这种情况下，把传统串行设备通过协议转换设备转集成到新型现场总线系统中将是一种很好的选择，可以适应更高层级数据传输。

实用新型内容

本实用新型目的在于针对目前市场上CAN通信适配卡种类单一、价格昂贵等不足，提供一种CAN总线与串口总线协议转换器，包括：

主控制器，所述主控制器分别电连接CAN通信单元和串口单元，以对数据进行转换并转发；所述主控制器包括MAX232芯片及MAX485芯片；

CAN通信单元，所述CAN通信单元分别电连接所述主控制器的MAX232芯片及MAX485芯片，所述CAN通信单元具有与CAN总线连接的接口；

串口单元，所述串口单元具有RS232接口和RS485接口；所述RS232接口电连接所述主控制器的MAX232芯片；所述RS485接口电连接所述主控制器的MAX485芯片。

所述MAX232芯片包括一个电源电压变换器，用于将输入的+5VTTL电平电压转换为RS-232电平输出所需的±10V电压；

所述MAX232芯片上的T1_IN、T2_IN连接TTL/CMOS电平的单片机串行接收端RXD；

所述MAX232芯片上的T1_OUT、T2_OUT连接RS-232电平接收端RXD；所述MAX232芯片上的R1_IN、R2_IN连接RS-232电平发送端TXD；

所述MAX232芯片上的T1_OUT，R2_IN和GND分别和RS-232电平上的第3脚的发送端TXD，第2脚的接收端RXD和第5脚的公共端GND相连。

所述MAX485芯片上的接收器输出端RO连接RS-485电平的串行接收端RXD；

所述MAX485芯片上的驱动器的输入端DI连接RS-485电平的串行发送端TXD。

所述转换器还包括串口转无线单元，所述串口转无线单元分别电连接串口单元及无线通信设备。

本实用新型同时采用MAX232及MAX485芯片，可适用于RS-232串口设备及RS-485串口设备，根据不同的的组网方式，采用不同的总线接法，简单灵活；同时本实用新型引入串口无线通信单元，间接实现了无线通信设备与CAN总线的通信，可用于测试无线通信的质量及监测CAN总线到串口设备的数据传输。

附图说明

图1为串口总线及CAN总线的数据转换图；

图2为本实用新型技术方案中CAN总线与串口总线协议转换器模型；

图3为MAX232芯片引脚图；

图4为MAX485芯片引脚图；

图5为本实用新型技术方案中无线通信网络与CAN总线转换器模型。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

实施例1

本实施例具体描述本实用新型所提出的CAN总线与串口总线协议转换器技术方案，首先对CAN总线及串口总线做一些简单说明：

CAN总线是现场总线的一种，遵循串行通信协议。根据ISO的参考模型，CAN具有物理层和数据链路层协议，以帧为单位进行数据通信，且每帧均携带相应的ID标识符；而串口总线RS-232本质上仅仅是一个物理层标准，以字节为单位进行数据通信，不带任何附属信息，其帧格式完全由用户自己定义。CAN数据帧和RS-232帧结构的比较如下表所示。

由上表可以看出，CAN数据帧比串口数据帧多了仲裁域、控制域、CRC校验和应答域。仲裁域使得各个节点之间存在区别(每个节点都有自己的ID号)，并可在总线上以竞争的方式进行数据的传送；控制域可以确定一次传送数据的长度，根据规定，CAN帧一次最多能传送8字节数据，而串口一次只能收发5-8位数据；CRC校验取代了奇偶校验，这使得其数据帧的可靠性更高。CAN总线为多主方式工作，网络上任一节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，具有非破坏性总线仲裁，支持竞争。而RS-232总线不支持竞争，采用主从方式工作，运行效率低，高峰期易堵塞。CAN总线在通信协议中加入了较强地故障定位和错误处理功能，而RS-232总线只是一个电气标准，没有自己的通信协议，所以处理故障和错误的能力不强，网络的维护也较困难。从通信的位速率来看，使用RS-232控制芯片，位速率为115.2kbps，同样的条件下，CAN可达1Mbps。

对于CAN的数据帧，分为帧起始，仲裁域，控制域，数据域，应答域和帧结尾六个部分，其中帧起始，应答域和帧结尾是根据物理层和数据链路层协议的规定，由硬件自动完成，需要分析的是仲裁域，控制域和数据域。在SJA1000(CAN通信单元)中使用了BasicCAN的模式，该模式下，发送和接收的数据放在发送和接收缓冲器中，其结构相似，只是在CAN寄存器中的地址不同。发送和接收缓冲器的列表如下表所示。

其中ID10-ID0是标识符，RTR是判断数据帧和远程帧的标志，DLC是要收发数据的长度，数据则在收发数据中。可以看出，CAN总线在接收和发送数据时，前两个字节用于标识和判断数据，真正收发的数据从第三个字节开始。这里收发的字节主要有两种具有独立功能的节点，节点的数据，根据上面对节点的定义，第一种节点的数据为一个字节，加上标识符字节，总共是三个字节，而第二种节点数据为四个字节，总共六个字节。

对于串口数据帧，分为帧起始，数据域，奇偶校验和帧结尾四个部分，其中帧起始，奇偶校验和帧结尾由硬件完成，也就是说，通过串口传送的就是数据，这样的方式比较直观和简单，但不能很好的保障数据的正确性，并且串口一次最多只能收发8位的数据，而CAN总线一次最多收发10个字节的数据(包括标识符的2个字节)，对于DI和AI节点来说，也需要收发四个和六个字节的数据。因此CAN进行一次通信发送的字节需要串口几次的收发，来保证收发数据的完整。

由串口协议和CAN总线协议的比较可以看出，两种协议有很多不同的地方，而在具体应用时，串口和CAN总线进行数据的交换是整个设计的重点和难点。

数据转换有直接转发和存储转发两种方式，存储转发要求在接收到全部数据帧后再决定如何转发，而直接转发则是在收到整个帧之前就已经开始转发数据了，这样可以有效地降低交换延迟，但是，如果在没有完全接收并检查数据帧的正确性之前就已经开始了数据转发，这样在通讯质量不高的环境下，交换机会转发所有的完整数据帧和错误数据帧，这实际上是给整个交换网络带来了许多垃圾通讯包。在本实用新型中使用了存储转发的方式，具体的数据转换方式如图1所示，即在89S52单片机的RAM区开辟一段区域，分别存放串口的数据和CAN的数据，在完整接收到一帧数据的情况下，再进行发送。同时，为了转换的方便和对各个节点帧进行区别，将CAN帧的标识符当作数据收发。

本实用新型所提出的CAN总线与串口协议转换器模型主要由主控制器、CAN通信单元、串口单元组成。具体的硬件结构如图2所示，主控制器包括MAX232芯片及MAX485芯片，用于连接CAN通信单元及串口单元并进行协议转换。CAN通信单元分别电连接主控制器的MAX232芯片及MAX485芯片，具有与CAN总线连接的接口；串口单元具有RS232接口和RS485接口，其中RS232接口电连接主控制器的MAX232芯片，RS485接口电连接主控制器的MAX485芯片。

其中，主控制器MAX232芯片是专门用于串口的RS-232电平与TTL电平转换的芯片。对于PC以及嵌入式设备，串口一般是RS-232电平，而单片机，特别是51系列的单片机的串口一般是TTL电平，RS-232电平采用的是负逻辑，而TTL电平均为0-5V的正逻辑，虽然可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠，MAX232正是这样的芯片。MAX232芯片是包含两路接收器和驱动器的IC芯片，适用于各种通信接口。芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成RS-232输出电平所需的±10V电压。所以采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。

MAX232接口芯片的引脚图如图3所示，在实际应用中，T1_IN、T2_IN可直接接TTL/CMOS电平的单片机串行接收端RXD；T1_OUT、T2_OUT可直接接RS-232串口接收端RXD；R1_IN、R2_IN可直接接串口发送端TXD。同时将T1_OUT、R1_IN和GND引出来，分别和RS232的第3脚的串口发送端TXD，第2脚的串口接收端RXD和第5脚的公共端GND相连，构成串口通信的物理线路。

而MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片。采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能。

其MAX485接口芯片引脚结构图如图4所示，从图中可以看出，MAX485芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的串口接收端RXD和串口发送端TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单，只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100Ω的电阻。

本技术方案通过同时采用MAX232及MAX485芯片，可适用于CAN总线与RS-232串口设备及RS-485串口设备之间的协议转换，根据不同的的组网方式，采用不同的总线接法，简单灵活。

实施例2

本实施例描述实现无线与CAN总线的通信协议转换。

无线技术的引进将真正的可移动性引入了计算机世界。虽然目前的无线技术还不能像有线网络那样提供高速传输，也不能实现有线网络的安全性和工作时间可靠性，但其灵活性弥补了这些不足。掌握无线技术的规定才能确保所部署的网络的兼容性和互操作性，无线网络的标准的主要发布者是IEEE，这些标准是在美国联邦通信委员会以前制定的规范的框架下创立的。IEEE802.11标准中的关键技术是DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum-直接序列扩频)，DSSS适用于工作在1至2Mbps范围的无线设备。

本实用新型在串口与CAN总线实现透明转换之后，加入了串口与无线通信协议转换模块，间接实现了无线与CAN总线的通信，该部分主要用来测试无线通信和监测CAN总线到串口数据。串口转无线单元使用的是上海桑锐电子科技有限公司生产的SRWF-1型微功率无线数传模块，该模块特点如下：微发射功率：最大10DBM的发射功率；ISM频段工作频率，无需申请频点；高抗干扰能力和低误码率；完善的通讯协议；传输距离远；透明的数据传输；多信道，多速率；双串口，3种接口方式；支持有无校验两种数据结构；高速无线通讯和大的数据缓冲区；智能数据控制，用户无需编制多余的程序；低功耗及休眠功能；高可靠性，体积小，重量轻；两种接口收发等待时间；看门狗实时监控。硬件结构如图5所示。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种CAN总线与串口总线协议转换器，其特征在于，所述转换器包括：

2.如权利要求1所述的一种CAN总线与串口总线协议转换器，其特征在于，所述MAX232芯片包括一个电源电压变换器，用于将输入的+5VTTL电平电压转换为RS-232电平输出所需的±10V电压；

3.如权利要求1所述的一种CAN总线与串口总线协议转换器，其特征在于，所述MAX485芯片上的接收器输出端RO连接RS-485电平的串行接收端RXD；

4.如权利要求1所述的一种CAN总线与串口总线协议转换器，其特征在于，所述转换器包括串口转无线单元，所述串口转无线单元分别电连接串口单元及无线通信设备。