CAN总线GPRS数据通信

1、基于CAN总线和GPRS的数据通信论文孙艳科曾焰龙剑刘召勤唐文杰指导老师：张新安（湖南科技学院电子工程系）摘要：在当今的工业现场总线技术中，CAX总线技术凭借其实现数据 通信的高可靠性、实时性和灵活性等优点，广泛运用于各个领域；无 线数据通信网络的发展，使数据传输更加方便。木文提出了一种基于 CAX总线与GPRS的数据通信系统，给出了系统的设计方案。系统采用STC89C52单片机作为主控制芯片，在CAN总线通信接口模块 中，CAN总线控制器选用Philips公司的SJA1000,总线驱动器采用了 PCA82C250接口芯片，CAN总线通信数据采用双绞线传输。无线数据收 发系统选用GPRSo介绍

2、了 CAN总线及GPRS数据收发的性能及特点，提 出了一种基于CAN总线和GPRS的数据通信的系统，给出了其软硬件设 计方案，并对CAN接口中断处理、GPRS数据传输以及CAN通用应用层 协议的开发等关键技术问题进行了重点研究，同时对设计中的难点及 实现过程中应注意的问题进行了比较详细的介绍。经系统测试，该系统 使用方便、工作可靠性较高，达到了设计要求，具有一定的参考和应用 价值。【关键词】CAN总线 智能节点GPRS无线数据传输STC89C52一引言木工程提出了基于CAN总线和GPRS的数据通信系统，研究其软 硬件设计方案，对CAN接口中断处理、GPRS无线数据传输以及CAN通 用应用层协议

3、的开发等关键技术问题进行研究。将CAN总线与GPRS 通信相结合，使CAN结点获得的信号能通过总线实时地、可靠地、高速 而准确地进行传输,使得各由计算机控制单元能够通过CAN总线共享 所有信息和资源达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、 提高系统可靠性、降低成木、更好地匹配和协调各个控制系统的目的。 CAX总线具有很好的抗干扰能力，能很好满足GPRS数据通信，是未来 智能化传感器和智能化控制网络的发展趋势。基于CAN总线和GPRS 的数据通信具有很高的网络安全性、通信可靠性和实时性，网络成本低, 多个用户可高效率地共享同一无线信道，可以在异地实时监控工业现 场的各种状况下发挥巨大作用

4、。木系统设计拟解决的关键问题：1、CAN接口中断处理。2、GPRS线数据传输协议。3、CAN通用应用层协议的开发等关键技术问题。1. 1通信系统总体功能概述1.1. 1系统总体框图系统原理描述：系统由一个主控机和若干个CAX节点执行器组成， 它们都挂接在双绞线上，组成一个CAN总线通信局部通信网络，CAN总 线通信网络中的主控机安装GPRS数据传输装置，与另一个控制中心组 成无线通信网络,整个系统的关键任务是实现CAN总线内部局域网通信 以及GPRS通信网络的通信。其系统总体结构框图如图1. 1. 1所示。图 1. 1. 11. 1. 2 CAN总线主控机节点设计CAX总线主控机系统由单片机最

5、小系统、CAN总线通信接口、实时 显示、人机接口模块和串口通信下载模块及无线通信模块组成。CAX 总线通信接口通过双绞线收发数据，实现和执行器的连通。结构框图 如图1.1.2所示：本主控机负责与无线通信网络进行数据传输，同时也 是CAN总线网络中的一个节点，在整个系统中起着主导作用，而CAN总 线通信模块，采用SJA1000和PCA82C250,通过单片机控制，实现与其他 节点通信。图1. 1. 2CAN总线主控机节点框图1. 1. 3CAN通信模块设计CAX通信模块是本次设计中的核心技术，它负责系统中主控机和执 行器之间的数据通信。单个CAN总线节点由单片机、CAN总线控制器和 高速光电耦合

6、器及总线驱动器组成，可编程控制，所以称之为智能节 点，结构如图3所示，设计中CAN通信模块采用了独立式的CAN控制器, 数据通过对控制器编程写入控制器芯片的发送缓冲区里发送出去，目 的节点则负责把数据接收到数据接收缓冲区里,再通过CAN总线接口和 单片机之间的数据总线，传递给单片机进行处理。设计方案如图1. 1. 3 所示。二硬件系统设计2. 1电源电路电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。在木 系统中需要用到5V和3. 3V的电源，因此电路中需选用稳压芯片LM7805 和AMSU17 3. 3V稳压芯片；其LM7805最大输出电流为1. 5A,能够满足 系统的要求，电路如图2.

7、 1所示。U2AMS11I73.3V图2.1电源电路2.2 RS-232下载接口电路RS-232通信接口电路原理图如图2. 2所示：由于PC机的通信口 为RS-232电平标准，而单片机则是TTL电平，所以要实现单片机与 PC机串行通信，就需采用MAX232将TTL电平转换为RS-232电平。 RS-232标准的传输速率只能达到20kb/s,最大传输距离15m。但这里 基木能满足本次设计要求。该接口电路，方便设计中的程序调试，电 路简单实用。图2.3微处理器基本系统2.4 CAN通信接口电路2.4. 1 CAX通信接口电路方案论证方案一：集成芯片解决方案集成CAN总线接口的单片机很多，有TI公司

8、出品的DSP芯片 TMS320C2000系列，Motorola公司生产的68HC05X4等，常用的是 Philips公司生产的P8xC591集成芯片oP8xC591不但集成了 CAN控制 器，还集成了其它相关功能，如A/D转换、脉宽调制输出PMW0、看门 狗等。这无疑大大简化了应用系统的硬件设计，系统可靠性也有很大 提高，但同时也存在应用灵活性不够等问题，而且它需要专用的开发 工具，也给系统开发带来不便。方案二：独立式控制器解决方案木方案中，采用89C52微处理器作为系统的控制核心，再扩展CAN 通信接口，其中CAN通信控制器采用Philips公司生产SJA1000,它与 单片机直接接口，电路

9、简单；CAX总线驱动器采用PCA82C250,本方案 具有编程灵活，通信协议可扩展等特点。经比较，考虑到方案二在设计时更灵活方便，可以采用通用的开 发工具，性价比很高，而且89C52扩展其它接口也更加自由，技术也很 成熟，所以采用第二种方案2.4.2 SJA1OOO CAN控制器的介绍SJA1OOO是一种独立的CAN总线控制器。PHILIPS半导体公司将它 作为PCA82C200CAN控制器(Basic CAN)的替代产品。SJA1OOO在原来 的BasicCAN工作模式上又增加了一种新的工作模式(Peli CAN),这 种模式支持具有很多新特性的CAX2. 0B协议。可以通过时分频器中的 C

10、AN方式位来选择工作模式，本设计采用的是PeliCAN模式。1、BasicCAN和PeliCAN方式的区别在PeliCAX方式下，SJA1OOO有一个重新设计的含很多新功能的寄 存器组，SJA1OOO包含PCA82C200中的所有位，同时增加了一些新的功 能位。2、SJA1OOO的基本特性*具有64字节长度的接收队列；* 符合CAN2. 0A和CAN2. 0B协议；* 16个收发信息缓冲器，支持11位或29位标识符，支持多级信息 缓冲器结构；*读/写访问错误计数器，可编程的错误限制报警，最近一次的误码寄存器；*每一个CAN总线错误的错误中断；*由功能位定义的仲裁丢失中断；* 一次性发送（当错误

11、或仲裁丢失时不重发）；*只听模式（CAN总线监听，无应答，无错误标志）；*支持热插拔（无干扰软件驱动位速检测）；*硬件禁止CLKOUT输出；*支持数据帧和远程帧的发送和接收；*支持满位比较、满位屏蔽和位屏蔽验收三种验收标识选择方 式；*两个验收标识寄存器支持标准帧或扩展帧格式；*波特率从10KbpslMbps可编程。3、SJA1000引脚介绍图2. 4.1是SJA1000引脚图，各引脚功能如下:AP6 一128AD7 一227ale/aS 326US 425KP/E 524623CLKOUT一 VSS1 7SJAIOOO 芋XJAL1 20XTAL2 1019MODE II(8VDD3 121

12、7TX0 1316TX1 15AD5 AD7 AD3 AD2 ADI AD0 VDD1 VSS2 RXI RX0 VDD2 一 rSTVSS311脚（MODE）:模式选择输入（1： Intel 模式；0：二Motorola模式）。13、14脚（TXO、TX1）:为输出驱 动器0、输出驱动器1到物理总线的输出 端。19、20脚（RXO、RX1）:从物理CAN总 线输入到SJA1000的输入比较器的输入 iwo图2. 4. 1 SJA1000 引脚图16脚（INT）:中断输出，用于中断微控制器。IT在内部中断寄 存器各位都置位时, 低电平有效。INT是开漏输出。7脚（CLKOUT）:时钟信号输出端

13、，SJA1000产生的时钟输出信号 提供给微控制器，时钟信号来源于内部振荡器且通过编程驱动，时钟 控制寄存器的时钟关闭位可禁止该引脚。2、1,28-23脚（AD7ADO）:数据/地址复用总线；3脚（ALE/AS） : Intel模式/Motorola模式的地址锁存信号端；5脚（RD） /E）、6脚（WR）：读写控制信号端；4脚（CS）:片选信号输入端，低电平有效；9、10脚（XTAL1、XTAL2）:振荡器输入、输出端。外部信号从XTAL2 输入到振荡器放大电路，XTAL2是振荡器放大电路的输出，使用外部 振荡信号时左开路输出；22、18、12脚（VDD1、VDD2 VDD3） : 5V 电压

14、端;8、2、15脚（VSS1、VSS2、VSS3）:与上述电压端相对的接地端。2. 4. 3 PCA82C250 CAN总线驱动器介绍PCA82C250是CAN协议控制器和物理总线的接口，它可以提供总 线的差动发送能力和接收能力，具有高速性（最高可达1 Mbps）,具 有抗瞬间干扰保护总线的能力，具有降低射频干扰的斜率控制，最多 可挂110个节点。1、82C250的基本特性如下：与IS011898标准完全兼容；高速率（最高可达1Mbps）；采用斜率控制，降低射频干扰；过热保护；总线与电源及地之间的短路保护；低电流待机模式；具有抗汽车环境下的瞬间干扰，保护总线能力；未上电节点不会干扰总线；2、芯

15、片管脚说明：芯片引脚如图2. 4. 2所示：1、4脚（TXD、RXD）发送、接收数据输入端；5脚（Vref）参考电压输出端；6脚（CANL）低电平CAN电压输入/输出；图2.4.2 PCA82C250引脚图7脚（CANH）高电平CAN电压输入/输出；8脚（Rs） 斜率电阻输入端；通过在地和PCA82C250的8脚（Rs）之间接不同阻值的电阻， PCA82C250可选择三种不同的工作方式：高速、斜率控制和待机，如表 2. 4. 3所列。表2.4.3 RS选择的三种工作方式RB提供条件方式R8上的电压或电流VRS0. 75Vcc待机方式IRS 10p A10 m A-IRS200u A斜率方式0.

16、 4VCCVRS0. 6VCCVRS0. 3VCC高速方式-1RS IT-Tfxjb ! DTK J-|-1 GC2*VCIT1TMTJOVTT2TMT2OX7TTAZTAOTTTT44NT4QUTT5INT5OL7TEuoUT20 UTR2IN1WUT23HRTTDOWN VucONT JNFTATOft口 0604RS2.M2 D?J.Rii4 G | | 104R.S2.2 errsKS232RI112、u 卫15 14 IT TVUhT_t曲 卞 uartZri 讦 UARtkW I? yART ixd i UARTCIS 亠站HCZWEI IKTVHaTaTWT-VBAT-VBATM

17、IC-V0ATMU -VRAT-GNDRA.R* OND-AUXO -GNDAUXO+ -CiNDlJ*Ci GNTRST -VBACKT7P -r SB GSTM ND -VBUX5LM.VCC -ARCE -rwoNSIM D.TA -匸ART DSRO5M RST -L7kRT rjoCD -t：ART R.XDO TAliT TYlYlTJART DC DO - TTART riTP ft lUARTCIS0uarFr -IUo旳ITMl?并MIG36 SP K童MKJ33jTlpouxT西一MM (ND2耙匚、？Z,誠厂仁审厂26 XlMQAiT好u炳rx方21 UAR7 DIRCj

18、xrt ftrs-R21图 2. 5. 3GTM900C 模块GPRS模块与数据采集模块间通过串行口进行通信，通信的最大速率可 以达到15 200 bp so GTM900集成了TCP / IP协议，采用内部的扩展AT 指令,数据采集模块可以与GPRS模块通信，使其通过GPRS网络把数据发 送给PC上位机，具体步骤如下：a）定义PDP上下文:AT + CGDCONTo使用设置命令，可为PDP上下 文定义参数，该PDP上下文是由本地上下文标识参数cid标识的。b）初始化命令：AT% ETCPIP。该命令实现PDP激活和TCP IP的初 始化,是使用TCPIP功能前必须完成的一步操作。c）打开一条

19、TCP或者UDP链接命令：AT%IPOPEN。该命令用于打 开一条TCP或者UDP链接命令。d）设置数据模式命令：AT% IOMODEo该命令主要用来选择发送 的数据是否进行编码，也就是（HEX2ASCII）的转换。e）透传功能:AT%TPSo实现TCP IP上的直接数据传输，简化了发CANHCANL送数据阶段的操作步骤,并且提供了多种操作模式，以适应于不同的传 输场景。f）关闭链接命令:AT% IPCLOSEo2. 5. 3 GPRS模块与CAN总线的硬件构成系统主要由现场数据采集部分（CAX）和远程传输（GPRS）两部 分组成，基本结构如图2.5.4。本系统主要实现功能为：1）将现场的 状

20、态（温度、压力等）通过相应的传感器经CAX智能节点采集到现场 数据处理的但单片机上，经过运算得出相应的数据；2）将处理过的数 据重新打包分组，经GPRS模块发送到本地数据服务器上。GPRS模块 与CAN总线总体结构如图2. 5. 5o图2. 5.5 GPRS模块与CAN总线总体结构三软件系统设计3. 1系统软件总体结构根据设计要求，系统实现功能及软件总体设计如图3. 1所示;图3.1系统软件总体设计框图系统包含两大部分，无线服务终端和CAN总线通信系统，无线服 务终端由GPRS和STC89C52组成,可以向CAN总线通信网络中的任一节点 发送和读取数据，CAN总线通信系统，由3个节点组成,一个

21、节点上接 GPRS负责与无线终端系统通信，另外2个节点由图所示的单片机CAN总 线收发系统构成。其中无线服务终端和CAN通信系统的总体软件设计流 程图分别如图3. 2、图3. 3所示。开始图3. 2无线服务终端软件设计流程 TX_buffer 8:发送数据低位、高位；TX_buffer9： 0：反馈数据，1：本节点数据；TX_buffer10：无线中断数据请求标志位=1表示有，还有两位 数据没用。3.2.2 CAX节点的初始化CAX总线系统的初始化主要是设置CAN的通信参数，需要初始化的 CAN控制寄存器有：模式寄存器、时分寄存器、接收代码寄存器、屏蔽 寄存器、总线定时寄存器、输出控制寄存器等。值得注意的是：这些 寄存器只能在CAX控制器处于复位状态下才可写访问。SJA1000初始化 流程图如图3. 4所示。开始如图3. 4 SJA1000初始化流程图3. 2. 3发送报文与接收报文发送报文的过程是：发送报文程序把数据存储区中待发送的数据 取出，加上标识符等信息，组成信息帧，等发送缓冲区清空后，则将 信息帧发送到CAX控制器的发送缓冲