多路UART总线与CAN总线通讯系统设计

摘要：主要利用TI公司的多路异步收发器TL16C554和PHILIPS公司的SJA1000设计一个多路总线协议转换通讯系统。为了实现4路UART总线与CAN总线之间的相互转换过程，采用微控制器AT89S51来控制通讯数据转换，通过硬件电路实验和软件调试算法，得到了4路串行总线与CAN总线之间的相互透明转换过程。该电路系统大大方便了具有UART接口的设备进行远距离、多节点传输，增强了系统的通讯可靠性。
关键词：UART；CAN；总线协议；协议转换

    由于在消费类电子产品、计算机外设、汽车和工业应用中增加了嵌入式功能，对低成本、高速和高可靠通信介质的要求也不断增长，以满足这些应用，其结果是越来越多的处理器和控制器用不同类型的总线集成在一起，实现与PC软件、开发系统或网络中其他设备的通信。微处理器中常用的集成串行总线是通用异步接收器传输总线、串行通信接口以及车用串行总线，包括控制器局域网(CAN)。这些总线在速度、物理接口要求和通信方法学上都有所不同。本文主要利用TI公司的多路异步收发器TL16C554和PHILIPS公司的SJA1000实现一个4路UART总线与CAN总线之间的相互通讯过程。

1 UART与CAN介绍
    UART模块采用TI公司的TL16C554，它是含有4路16C550的增强型异步通讯电路，每路通道能从外围设备或MODEM接收数据，实现串并转换；同时，也可以从CPU端接收数据，实现并串转换。TL16C554内部具有16 B的接收和发送FIFO，在FIFO模式下，通过使用RTS和CTS输入信号可以自动控制串行数据流，可选的自动流控制特性大大降低了软件规模，提高了系统效率。TL16C554也可以通过FIFO触发点与TXRDY或RXRDY信号实现DMA模式的数据传输，片内的状态寄存器为用户提供错误指示、器件的工作状态和调制解调器接口控制。可通过调整系统中断来满足用户的要求，内部的环回模式实现了片内的故障诊断。TL16C554电路的串行数据格式为：

    这些数据格式主要通过电路的线控制寄存器来进行控制，其中起始位为低电平“0”；数据位长度可选择5～8位；奇偶校验位可选择为奇校验、偶校验或无校验；停止位可选择1位、2位或1／2位。
    CAN模块采用一种独立的CAN控制器SJA1000，主要用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制，是PHILIPS公司半导体PCA82C200CAN控制器的替代产品。SJA1000具有BasicCAN和PeliCAN 2种工作方式。BasicCAN模式是上电后默认的操作模式，而PeliCAN模式是新的操作模式，它能够处理所有CAN2．0B规范的帧类型，而且它还提供一些增强功能，使SJA1000能应用于更宽的领域。
    其中SJA1000的数据帧格式为：

2 系统设计
    系统总体电路图如图1所示，主要有3个部分组成，UART模块、CAN模块和微控制处理器。UART模块采用TI公司的TL16C554，它是一个4路通用异步收发器，每路均能从外围设备或MODEM接收串行数据，实现串一并转换；同时，它也可以从CPU端接收数据，实现并一串转换。

    CAN模块采用PHILIPS公司的SJA1000，它是一种独立的CAN控制器兼容CAN2．0A和CAN2．0B两种技术规范。微控制器采用8位单片机AT89S 51，主要对UART模块和CAN模块进行初始化控制，并产生串行数据输送给UART模块。
2．1 UART模块通讯设计
    UART模块通讯设计主要利用单片机控制4路异步收发器TL16C554。单片机首先通过数据线D7～D0、地址线A2～A0初始化TL16C554，配置好串行传输波特率、字符格式以及中断控制信号等寄存器，并通过4路通道的片选信号CSA，CSB，CSC和CSD选通其中的一路。利用单片机自身的串行接口发送串行数据，送入TL16C554，UART模块接收到串行数据后，将其转换成并行数据存入FIFO中，并通知单片机数据转换完成，单片机从UART模块的FIFO中读取数据，并准备好发送给CAN模块。通讯流程图如图2所示。

    如果要实现多路UART总线与CAN总线通讯，利用通道各自的片选信号进行控制，在一路通道转换结束后再进行选通另一路通道，相互之间必须进行分时操作，协调处理。
2．2 CAN模块通讯设计
    CAN模块通讯设计主要利用单片机控制SJA1000控制器。单片机首选通过地址数据复用线AD7～AD0对SJA1000进行初始化设置，包括时钟分频寄存器、输出控制寄存器、总线定时寄存器和验收滤波器等，通过这些寄存器可以设置选择工作模式为BasicCAN或是PeliCAN，CLKOUT引脚的频率、以及通信波特率等。设置好寄存器，就等待单片机将从UART模块读取的数据发送给SJA1000的发送缓冲器，CAN模块将这些数据转换成CAN总线形式并通过收发器发送到网络节点中去。通讯流程图如图3所示。

2．3 通讯过程
    系统通讯电路图如图1所示，为了能实现UART与CAN之间的相互通讯，采用2个图1所示的电路图，将CAN收发器的CANH，CANL连接在一起，形成2个CAN节点，如图4所示。这样就能实现UART→CAN→CAN→UART的通讯过程。在节点1中，单片机首先发送8个串行数据55，56，…，5B．5C(16进制)送给TL16C554的串行通道，UART模块接收到串行数据后由SJA1000转换成CAN总线数据A1，A2，A3，A0，08，55，56，…，5C，65，61(16进制)，其中A1，A2，A3，A0，08为PeliCAN模式下的识别码和帧信息，65，61为CRC校验码。转换成CAN总线后通过CANH、CANL将数据送入节点2的CAN模块，SJA1000接收到数据后由TL16C554转换成串行数据88，A1，A2，A3，A0，55，56，…，5B，5C(16进制)发送出去，其中88，A1，A2，A3，A0为帧信息和识别码。示波器采集的通讯波形图如图5所示。

    为了能使转换结果更清楚的显示，将TL16C554的TXA通过RS 232串行数据线连接到PC机，硬件连接如图6所示。这样最终转换的UART数据就可以通过PC机显示出来，结果如图7所示。

3 结语
    本文设计了一个多路UART总线与CAN总线进行相互通讯的转换系统，从测试结果来看，该没计系统完全可以实现两者间的透明转换。利用CAN总线传输距离长、通讯灵活等优点，该系统可以有效的延长UART串行总线的通讯距离、提高传输速率，大大方便了具有UART接口的设备进行远距离、多节点传输。