Σχεδιασμός εφαρμογής για μετατροπή RS-232-to-CAN με χρήση τεχνολογίας Fieldbus

1 Εισαγωγή

Η επικοινωνία βιομηχανικού εξοπλισμού περιλαμβάνει συνήθως μια μεγάλη ποικιλία προϊόντων υλικού και λογισμικού, καθώς και πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση τυπικών πλατφορμών υπολογιστών (προσωπικοί υπολογιστές ή σταθμοί εργασίας) με συσκευές βιομηχανικού αυτοματισμού. Συνεπώς, οι περισσότερες συσκευές αυτοματισμού έχουν σχεδιαστεί για να εκτελούν απλές σειριακές εντολές που είναι συμβατές με τις τυπικές σειριακές θύρες που βρίσκονται σε προσωπικούς υπολογιστές ή σε κάρτες προσθήκης-σε σειριακών θυρών. Το RS{6}}232 είναι αυτή τη στιγμή η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη σειριακή διεπαφή στους τομείς των Η/Υ και των βιομηχανικών επικοινωνιών. Το RS-232 ορίζεται ως ένα ενιαίο-πρότυπο σχεδιασμένο να επεκτείνει τις αποστάσεις επικοινωνίας σε σειριακή επικοινωνία χαμηλής ταχύτητας. Επειδή το RS-232 μοιράζεται μια κοινή γείωση σήματος μεταξύ του πομπού και του δέκτη, δεν μπορεί να χρησιμοποιήσει διαφορικά σήματα. Διαφορετικά, ο θόρυβος κοινής λειτουργίας θα συνδεόταν στο σύστημα σήματος. Το πρότυπο RS-232 καθορίζει μέγιστη απόσταση μόνο 15 m και μέγιστο ρυθμό μετάδοσης σήματος 20 kbit/s.

Το CAN, συντομογραφία του "Controller Area Network", είναι ένας από τους πιο ευρέως χρησιμοποιούμενους διαύλους πεδίου διεθνώς. Ένα ενιαίο δίκτυο που αποτελείται από διαύλους CAN περιορίζεται από τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του υλικού του δικτύου. Ως πολυ-κύριος σειριακός δίαυλος επικοινωνίας, οι βασικές προδιαγραφές σχεδιασμού της CAN απαιτούν υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης bit και ισχυρή αντίσταση σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, καθώς και τη δυνατότητα ανίχνευσης τυχόν σφαλμάτων που συμβαίνουν στο δίαυλο επικοινωνίας. Ακόμη και όταν η απόσταση μετάδοσης του σήματος φτάσει τα 10 km, το CAN μπορεί να παρέχει ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων έως και 50 kbit/s. Ο Πίνακας 1 δείχνει τη σχέση μεταξύ της μέγιστης απόστασης μετάδοσης μεταξύ οποιωνδήποτε δύο κόμβων σε έναν δίαυλο CAN και των ρυθμών bit τους.

Μέγιστη απόσταση μεταξύ οποιωνδήποτε δύο κόμβων σε μια τριγωνική διαμόρφωση σε ένα σύστημα διαύλου CAN

Ρυθμός bit/kbps 1000 500 250 125 100

Μέγιστη απόσταση/m 40 130 270 530 620

Ρυθμός bit (kbps) 50 20 10 5

Μέγιστη απόσταση (m) 1300 3300 6700 10000

Όπως φαίνεται, ο δίαυλος CAN είναι ανώτερος σειριακός δίαυλος από τον RS-232 όσον αφορά την απόδοση σε πραγματικό χρόνο, την προσαρμοστικότητα, την ευελιξία και την αξιοπιστία. Όταν δύο σειριακές συσκευές βρίσκονται σε απόσταση μεταξύ τους και δεν μπορούν να συνδεθούν απευθείας μέσω του RS-232, το RS-232 μπορεί να μετατραπεί σε CAN για να επιτευχθεί διασύνδεση δικτύου των σειριακών συσκευών μέσω του διαύλου CAN.

Ωστόσο, τα RS-232 και CAN διαφέρουν σημαντικά ως προς τα επίπεδα τάσης και τη μορφή πλαισίων. Ειδικά:

Το πρότυπο RS-232 χρησιμοποιεί αρνητική λογική, ορίζοντας οποιοδήποτε επίπεδο τάσης μεταξύ +3V και +15V ως λογική "0" και οποιοδήποτε επίπεδο τάσης μεταξύ -3V και -15V ως λογική "1". Τα σήματα CAN, από την άλλη πλευρά, μεταδίδονται χρησιμοποιώντας διαφορική τάση. Οι δύο γραμμές σήματος ονομάζονται "CAN_H" και "CAN_L". Σε στατική κατάσταση και τα δύο είναι περίπου 2,5V. αυτή η κατάσταση αναπαρίσταται ως λογικό "1" και αναφέρεται επίσης ως "υπολειπόμενο". Όταν το CAN_H είναι υψηλότερο από το CAN_L, αντιπροσωπεύει ένα λογικό "0", γνωστό ως "κυρίαρχο". Στην κυρίαρχη κατάσταση, οι τυπικές τιμές τάσης είναι: CAN_H=3.5V, CAN_L=1.5V;

Η μορφή πλαισίου για τη σειριακή θύρα RS-232 είναι: ένα bit έναρξης, οκτώ bit δεδομένων, ένα προγραμματιζόμενο ένατο bit (το οποίο χρησιμεύει ως bit διεύθυνσης/δεδομένων τόσο για τη μετάδοση όσο και για τη λήψη) και ένα bit διακοπής. Η μορφή πλαισίου δεδομένων CAN αποτελείται από: κεφαλίδα πλαισίου + ID + δεδομένα (τα οποία μπορούν να χωριστούν σε δύο μορφές: τυπικά πλαίσια και εκτεταμένα πλαίσια).

Επομένως, ο σχεδιασμός απαιτεί έναν μικροελεγκτή για την εκτέλεση μετατροπών, όπως μετατροπές μορφής επιπέδου και πλαισίου. Η διαδικασία μετατροπής φαίνεται στο σχήμα 1.

2 Σχεδίαση υλικού για μετατροπή RS-232 σε CAN

Κατά τον σχεδιασμό της συσκευής μετατροπής RS-232-σε-CAN, ο μικροελεγκτής AT89C52 χρησιμοποιείται ως μικροεπεξεργαστής. το SJA1000 χρησιμοποιείται ως μικροελεγκτής CAN. Το SJA1000 ενσωματώνει τις λειτουργίες του φυσικού επιπέδου και του επιπέδου σύνδεσης δεδομένων του πρωτοκόλλου CAN και μπορεί να χειριστεί παθητικά το πλαίσιο δεδομένων επικοινωνίας. Το AT82C250 χρησιμεύει ως διεπαφή μεταξύ του ελεγκτή CAN και του φυσικού διαύλου, παρέχοντας δυνατότητα διαφορικής μετάδοσης για το δίαυλο και δυνατότητα διαφορικής λήψης για τον ελεγκτή CAN. Τρεις διαφορετικοί τρόποι λειτουργίας (υψηλή-ταχύτητα, έλεγχος κλίσης και αναμονή) μπορούν να επιλεγούν μέσω της ακίδας 3 του AT82C250. Όταν ο ακροδέκτης 3 είναι γειωμένος, η συσκευή λειτουργεί σε λειτουργία υψηλής ταχύτητας. Η οπτική απομόνωση υψηλής ταχύτητας υλοποιείται χρησιμοποιώντας το 6N137, το οποίο αποτρέπει παρεμβολές από εξωτερικά σήματα. Το MAX232 χρησιμοποιείται για τη μετατροπή σημάτων 232 επιπέδων σε επίπεδα TTL για το τσιπ διασύνδεσης μικροελεγκτή. Για συγκεκριμένες λεπτομέρειες κυκλώματος διασύνδεσης υλικού, ανατρέξτε στους σχετικούς πόρους για το SJA1000. περαιτέρω εξήγηση δεν παρέχεται εδώ. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθούν τα ακόλουθα σημεία.

(1) Μια αντίσταση 120Ω συνδέεται και στα δύο άκρα του διαύλου CAN για να ταιριάζει με την σύνθετη αντίσταση του διαύλου, βελτιώνοντας έτσι την ατρωσία σε παρεμβολές και την αξιοπιστία της επικοινωνίας δεδομένων. Στην πράξη, ωστόσο, αρκεί να διασφαλιστεί ότι η αντίσταση διακλάδωσης μεταξύ "CAN_H" και "CAN_L" στο δίκτυο CAN είναι 60Ω.

(2) Ο ακροδέκτης 20 (RX1) του SJA1000 μπορεί να γειωθεί όταν δεν χρησιμοποιείται (δείτε τη σχεδίαση λογισμικού για τον συγκεκριμένο λόγο). Όταν συνδυάζεται με το bit ρύθμισης CDR.6, αυτό μπορεί να αυξήσει σημαντικά το μήκος του διαύλου.

(3) Η μέθοδος σύνδεσης των ακροδεκτών TX0 και TX1 καθορίζει το επίπεδο της σειριακής εξόδου. Ανατρέξτε στις ρυθμίσεις στο Μητρώο Ελέγχου Εξόδου (OCR) για συγκεκριμένες λεπτομέρειες.

(4) Μια αντίσταση κλίσης συνδέεται μεταξύ της ακίδας RS του AT82C250 και της γείωσης. Η τιμή αντίστασης μπορεί να ρυθμιστεί κατάλληλα με βάση την ταχύτητα επικοινωνίας του διαύλου, που συνήθως κυμαίνεται από 16 kΩ έως 140 kΩ.

(5) Το MAX232 απαιτεί τέσσερις ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές-C1, C2, C3 και C4-οι οποίοι χρησιμοποιούνται επίσης για εσωτερική μετατροπή ισχύος. Όλα έχουν ονομαστική ισχύ 1 μF/25 V. Συνιστώνται πυκνωτές τανταλίου και θα πρέπει να τοποθετούνται όσο το δυνατόν πιο κοντά στο τσιπ. Ένας πυκνωτής αποσύνδεσης 0,1 μF πρέπει να συνδεθεί μεταξύ του τροφοδοτικού VCC και της γείωσης.

3 Σχεδιασμός λογισμικού για μετατροπή RS-232 σε CAN

Υπό τον έλεγχο μικροεπεξεργαστή, η χρήση σειριακής λήψης θύρας και διακοπές CAN κατά την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ RS-232 και CAN μπορεί να βελτιώσει τη λειτουργική απόδοση. Το κύριο διάγραμμα ροής προγράμματος φαίνεται στο Σχήμα 2. Το SJA1000 μπορεί να αρχικοποιηθεί μόνο σε λειτουργία επαναφοράς. Αυτό περιλαμβάνει κυρίως τη ρύθμιση του τρόπου λειτουργίας, της διαίρεσης ρολογιού και των καταχωρητών φίλτρου αποδοχής, τη διαμόρφωση των παραμέτρων του ρυθμού baud και τη ρύθμιση του καταχωρητή ενεργοποίησης διακοπής.

3.1 Ρύθμιση του ρυθμού φίλτρου CAN

Ένα από τα βασικά στοιχεία του πρωτοκόλλου CAN είναι ο ρυθμός baud. Οι χρήστες μπορούν να ορίσουν τη θέση των σημείων δειγματοληψίας bit εντός της περιόδου bit και τον αριθμό των δειγμάτων, επιτρέποντάς τους να βελτιστοποιούν ελεύθερα την απόδοση του δικτύου για τις εφαρμογές τους. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας βελτιστοποίησης, πρέπει να δοθεί προσοχή στη σχέση μεταξύ της ανοχής του ταλαντωτή αναφοράς που χρησιμοποιείται για τις παραμέτρους χρονισμού bit και των καθυστερήσεων διάδοσης διαφορετικών σημάτων εντός του συστήματος.

Ο ρυθμός bit του συστήματος, fBil, αντιπροσωπεύει τον αριθμό των bit δεδομένων που μεταδίδονται ανά μονάδα χρόνου, δηλαδή τον ρυθμό baud fBit=1/tBit. Ο ονομαστικός χρονισμός bit αποτελείται από τρία μη-επικαλυπτόμενα τμήματα: SYNC_SEG, TSEG1 και TSEG2. Αυτά τα τρία χρονικά τμήματα συμβολίζονται ως tSYNC_SEG, tTSEG1 και tTSEG2, αντίστοιχα. Επομένως, η ονομαστική περίοδος bit tBit είναι το άθροισμα αυτών των τριών χρονικών τμημάτων.

tBit=tSYNC_SEG + tTSEG1 + tTSEG2

Μέσα στην περίοδο bit, αυτά τα τμήματα εκφράζονται ως ακέραια πολλαπλάσια μιας βασικής μονάδας χρόνου. Αυτή η μονάδα χρόνου ονομάζεται όριο χρόνου (TQ) και η διάρκεια μιας χρονικής ποσόστωσης είναι ένας κύκλος του ρολογιού του συστήματος CAN (tSCL), ο οποίος προέρχεται από την περίοδο ρολογιού ταλαντωτή (tCLK). Το ρολόι του συστήματος CAN μπορεί να ρυθμιστεί προγραμματίζοντας τον παράγοντα prescaler (προκαθορισμένη τιμή ρυθμού baud, BRP). Ειδικά:

tSCL=BRP × 2tCLK=2BPR/fCLK

Ένα άλλο πολύ σημαντικό χρονικό διάστημα για τους υπολογισμούς χρονισμού CAN bit είναι το πλάτος άλματος συγχρονισμού (SJW), το οποίο έχει διάρκεια tSJW. Το τμήμα SJW δεν αποτελεί μέρος του κύκλου bit. Μάλλον, ορίζει τον μέγιστο αριθμό TQ με τους οποίους ο κύκλος bit επεκτείνεται ή συντομεύεται κατά τη διάρκεια ενός συμβάντος επανασυγχρονισμού. Επιπλέον, το πρωτόκολλο CAN επιτρέπει στους χρήστες να καθορίζουν τη λειτουργία δειγματοληψίας bit (SAM), η οποία μπορεί να είναι είτε απλή-λειτουργία δείγματος ή τρεις-λειτουργία δειγματοληψίας (επιλέγοντας ένα αποτέλεσμα από τρία δείγματα). Στη λειτουργία μονής-δειγματοληψίας, το σημείο δειγματοληψίας βρίσκεται στο τέλος του τμήματος TSEG1. Σε τρεις-λειτουργίες δειγματοληψίας, λαμβάνονται δύο επιπλέον σημεία δειγματοληψίας σε σύγκριση με τη λειτουργία μονής-δειγματοληψίας. Αυτά βρίσκονται πριν από το τέλος του τμήματος TSEG1, χωρισμένα με ένα TQ.

3.2 Ανίχνευση ρυθμού Baud σειριακής θύρας

Όταν μια σειριακή συσκευή λειτουργεί ως κεντρικός υπολογιστής, εάν πρέπει να ανιχνεύσετε τον ρυθμό baud της σειριακής θύρας της συσκευής μετατροπής εκείνη τη στιγμή, μπορείτε πρώτα να ορίσετε τον ρυθμό λήψης baud του κεντρικού υπολογιστή (9600 baud, για παράδειγμα) και να στείλετε έναν συγκεκριμένο χαρακτήρα (για παράδειγμα, μια επιστροφή μεταφοράς) από το τερματικό. Με αυτόν τον τρόπο, ο κεντρικός υπολογιστής μπορεί να προσδιορίσει τον ρυθμό μετάδοσης της επικοινωνίας της συσκευής μετατροπής με βάση τις πληροφορίες χαρακτήρων που λαμβάνονται. Η τιμή ASCII του χαρακτήρα επιστροφής μεταφοράς είναι 0DH. οι τιμές που λαμβάνονται με διαφορετικούς ρυθμούς baud παρατίθενται στον Πίνακα 2.

Byte που λαμβάνονται σε διαφορετικούς ρυθμούς Baud

Ρυθμός Baud (bit/s) Λαμβανόμενα Byte (δεκαεξαδικό) Ρυθμός Baud (bit/s) Ληφθέντα Byte (δεκαεξαδικό)

1200 80 4800 E6

1800 F0 9600 0D

2400 78 19200 F*

3.3 Έλεγχος ροής σειριακής θύρας

Ο όρος "ροή" που χρησιμοποιείται εδώ αναφέρεται στη ροή δεδομένων. Συχνά συμβαίνει απώλεια δεδομένων κατά τη μετάδοση μεταξύ δύο σειριακών θυρών. Εφόσον η προσωρινή μνήμη του μικροελεγκτή έχει περιορισμένη χωρητικότητα, εάν η προσωρινή μνήμη είναι πλήρης κατά τη λήψη δεδομένων, τυχόν δεδομένα που συνεχίζουν να αποστέλλονται εκείνη τη στιγμή θα χαθούν. Ο έλεγχος ροής επιλύει αποτελεσματικά αυτό το πρόβλημα: όταν το άκρο λήψης δεν μπορεί να επεξεργαστεί τα δεδομένα εγκαίρως, το σύστημα ελέγχου ροής στέλνει ένα σήμα "μη λήψη", με αποτέλεσμα το άκρο αποστολής να σταματήσει να εκπέμπει έως ότου λάβει ένα σήμα "συνέχιση της μετάδοσης". Επομένως, ο έλεγχος ροής διαχειρίζεται τη διαδικασία μετάδοσης δεδομένων και αποτρέπει την απώλεια δεδομένων. Οι δύο τύποι ελέγχου ροής που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι ο έλεγχος ροής υλικού (συμπεριλαμβανομένων των RTS/CTS, DTR/CTS, κ.λπ.) και ο έλεγχος ροής λογισμικού (XON/XOFF-συνέχεια/διακοπή). Η ακόλουθη εξήγηση εστιάζει αποκλειστικά στη μέθοδο ελέγχου ροής υλικού με χρήση RTS/CTS.

Όταν χρησιμοποιείτε υλικό για έλεγχο ροής, οι ακροδέκτες RTS και CTS του σειριακού τερματικού συνδέονται με τις θύρες I/O του μικροελεγκτή και τα σήματα start/stop λαμβάνονται και μεταδίδονται ρυθμίζοντας τις θύρες I/O σε 1 ή 0. Ο τερματικός εξοπλισμός δεδομένων (όπως ένας υπολογιστής) χρησιμοποιεί RTS για να εκκινήσει τη ροή δεδομένων που αποστέλλεται από τον μικροελεγκτή και χρησιμοποιεί τον μικροελεγκτή. υπολογιστή. Για την εφαρμογή αυτής της μεθόδου χειραψίας υλικού, μια σημαία υψηλού-επιπέδου και μια σημαία χαμηλού-επιπέδου ορίζονται κατά τον προγραμματισμό με βάση το μέγεθος του buffer λήψης. Όταν ο όγκος δεδομένων στην προσωρινή μνήμη φτάσει το όριο-υψηλού επιπέδου, η γραμμή CTS στο άκρο λήψης ορίζεται χαμηλή (λογική 0). Όταν το πρόγραμμα στο άκρο μετάδοσης ανιχνεύσει ότι το CTS είναι χαμηλό, σταματά τη μετάδοση δεδομένων έως ότου η ποσότητα δεδομένων στην προσωρινή μνήμη λήψης πέσει κάτω από το κατώφλι χαμηλού- επιπέδου και το CTS οριστεί υψηλό. Το RTS χρησιμοποιείται για να υποδείξει εάν η συσκευή λήψης είναι έτοιμη να λάβει δεδομένα.

3.4 Υπορουτίνα CAN Receive

Η μορφή PeliCAN υποστηρίζει τόσο τυπικά όσο και εκτεταμένα πλαίσια. Η λειτουργία CAN μπορεί να διαμορφωθεί χρησιμοποιώντας το CDR.7 στον καταχωρητή διαιρέτη ρολογιού (0 για το BasicCAN, 1 για το PeliCAN). Κατά τη λήψη δεδομένων CAN, το bit FF στις πληροφορίες πλαισίου χρησιμοποιείται για να προσδιοριστεί εάν πρόκειται για τυπικό ή εκτεταμένο πλαίσιο και το bit RTR χρησιμοποιείται για τη διάκριση μεταξύ ενός απομακρυσμένου πλαισίου και ενός πλαισίου δεδομένων. Το παρακάτω είναι η υπορουτίνα CAN λήψη:

;//////////////////////////////////////////////////////////////////

;//Λήψη δεδομένων CAN/Ενοποιημένη σε μορφή πλαισίου με αναγνωριστικό 2 byte//

;///////////////////////////////////////////////////////////////////////

ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ:

MOV R0, #C_RE ; Διεύθυνση έναρξης του εσωτερικού buffer του μικροελεγκτή

MOV DPTR, #RXBUF ; Διαβάστε και αποθηκεύστε τα περιεχόμενα του buffer λήψης

MOVX A, @DPTR ; Διαβάστε το δεύτερο byte της προσωρινής μνήμης CAN

MOV @R0, A ; Εκτός

JB ACC.7, EFF_RE ; bit FF: 0=SFF, 1=EFF

MOV R2, #0

SJMP SFF_RE ; Ανάλογα με τον αριθμό ID, η θέση όπου καταγράφεται το "byte δεδομένων" ποικίλλει

EFF_RE: MOV R2, #2

SFF_RE: MOV R2, #2

SFF_RE:

JB ACC.6, EXIT_RECAN ; Ελέγξτε το bit RTR. εάν 1 (απομακρυσμένο πλαίσιο), πηδήξτε έξω

ANL A, #0FH

MOV R3, A ; Σε αυτό το σημείο, τα μεσαία 4 bit αντιπροσωπεύουν το μήκος δεδομένων

MOV C_NUM, A ; Αποθηκεύστε το μήκος του ληφθέντος πλαισίου σε R3 και R5

RDATA0:

INC DPTR ; Αναγνωριστικό 2 byte

INC R0

MOVX A, @DPTR

MOV @R0, Α

INC DPTR

MOVX A, @R0, A

INC DPTR

MOVX A, @DPTR

MOV @R0, Α

MOV A, R2; Εάν είναι EFF, παραλείψτε το αναγνωριστικό δύο-byte

JZ DRATA1

INC DPTR

INC DPTR

DATA1: ; Byte δεδομένων

INC DPTR

INC R0

MOVX A, @DPTR

MOV @R0, Α

DJNZ R3, RDATA1

EXIT_RECAN:

ΜΟΥΣΚΕΥΩ

4 Συμπέρασμα

Η σμίκρυνση των υπολογιστών έχει παράσχει τις απαραίτητες προϋποθέσεις για την έξυπνη ανάπτυξη οργάνων μέτρησης και ελέγχου, επιτρέποντας στις τερματικές συσκευές που βασίζονται σε μικροεπεξεργαστές-να διαθέτουν ανώτερες δυνατότητες ψηφιακής επικοινωνίας. Με την εμφάνιση ενός αυξανόμενου αριθμού έξυπνων τερματικών, τίθενται υψηλότερες απαιτήσεις για την αρχιτεκτονική δικτύου, τα πρωτόκολλα, την απόδοση{2}}σε πραγματικό χρόνο, καθώς και τη δυνατότητα εφαρμογής, την ευελιξία, την αξιοπιστία, ακόμη και το κόστος. Κατά συνέπεια, η τεχνολογία fieldbus υπόσχεται πολλά για μελλοντική ανάπτυξη. Η δομή πλαισίου του διαύλου CAN περιλαμβάνει ένα αναγνωριστικό (ID), το οποίο καθιστά δυνατή την ύπαρξη πολλών κεντρικών υπολογιστών δικτύου σε ένα δίκτυο συσκευών. Δηλαδή, μέσω αυτών των κεντρικών υπολογιστών δικτύου, μπορεί να παρακολουθείται η κατάσταση λειτουργίας ολόκληρου του δικτύου συσκευών και να λαμβάνονται οι αντίστοιχες αποφάσεις ελέγχου. Αυτή η συσκευή έχει πλέον αναπτυχθεί πλήρως και έχει επιτύχει εξαιρετικά αποτελέσματα σε πρακτικές εφαρμογές.