基于STM 32的RS232-CAN通信協議轉換器設計

王英志，楊 佳，韓太林

（1. 長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022；2. 吉林建筑工程學院 電氣與電子信息工程學院，長春 130021）

0 引言

目前，RS232接口和CAN總線接口廣泛應用于工業設備之間的通信。它們各有特點，應用在不同領域。RS232通信距離短，接口容易損壞。CAN總線具有多點通信、組網方便，傳輸距離遠，通信實時性好，糾錯能力強，成本低等特點，能更好地匹配和協調各個控制系統[1]。基于兩種接口特點，本文介紹一種實現RS232接口設備與CAN總線設備進行通信的轉換器，更好的解決用戶在地域、通信網絡、接口協議等方面的矛盾。

1 系統硬件設計

RS232-CAN通信協議轉換器設計，主要是完成RS232與CAN總線之間的通信協議轉換，實現數據的互聯通信。在通信過程中，為了使系統具有通用性和穩定性，對供電電源、通信隔離、防雷電等方面進行了特殊設計。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

1.1 單片機選擇

選用意法半導體公司ARM Co rtex?-M 3核的32位STM 32F103C8單片機，負責系統的整體運行。單片機特點為：最大時鐘頻率為72MHz，3個16位定時器，其內部集成CAN2.0控制器、USART接口和USB2.0全速接口等，調試模式為SWD和JATG接口。單片機的PA9和PA10引腳用來做串口數據的收發，PA11和PA12引腳用來做CAN數據的收發。

1.2 電源模塊設計

電源模塊設計框圖如圖2所示。選用LM 2574-ADJ實現輸入交流或者直流的電壓范圍為3.5V-40V，產生5V電壓，為隔離電源和ASM 1117-33供電。ASM 1117-33產生3.3V電壓為單片機供電；隔離電源選用MORNSUM公司的IB0505LS-1W，產生5V隔離電壓為CAN收發器ISO1050DUB副邊供電。

圖2 電源模塊設計框圖

1.3 CAN總線接口設計

單片機STM 32F103C8集成CAN2.0控制器。CAN收發器選擇TI公司的ISO1050DUB，把CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平。ISO1050DUB的主要特點為：具有2500-VRMS電氣隔離；提供-27V到40V的總線故障保護，增強系統的抗干擾能力及可靠性；符合ISO11898標準，可以與其他ISO11898標準的CAN收發器互連。CAN總線接口電路設計如圖3所示，與文獻[2]和[3]相比較，該電路具有電路簡單、PCB尺寸小、集成度高、放靜電、抗雷電的隔離功能等優點。

在使用過程中，雷電可能對轉換器中其他電子器件及數據的實時、可靠通信產生很大的影響[4]。因此參考浪拓電子技術有限公司生產的浪涌保護器件瞬態抑制二極管NUP2105、氣體放電管BA401N等，設計轉換器的通信系統。NUP2105是一個雙向瞬態電壓抑制器，用來保護高速和容錯CAN總線中的收發器免受EM I和ESD的影響。在圖3中，BA401N、NUP2105吸收瞬態電壓的能量，以避免損壞CAN收發器。NUP2105設計為雙向配置，防止在長電纜系統中由于共模電壓失調而對正常的數據線路信號造成鉗位，NUP2105L的小電容適合用于數據傳輸速率高達1Mb it/s的系統，圖中SMD014為自恢復保險絲。設計達到抑制ESD和EM I的行業標準，通過可靠接地，在雷電等惡劣環境下，起到很好的保護作用。

圖3 CAN總線接口電路圖

1.4 RS232接口設計

RS232協議用正負電壓表示邏輯狀態，與TTL以高低電平表示邏輯狀態的規律不同。為了實現計算機接口或者終端為TTL器件連接，必須在RS232接口與TTL電路之間進行電平和邏輯關系的變換。本設計采用的RS232電平轉換器為MAXIM公司的MAX3232，電路設計如圖4所示。為了保證安全的通信隔離，MAX3232與CAN收發器ISO1050DUB的原邊共用一個電源。

圖4 RS232接口電路圖

2 系統軟件設計

程序是在KEIL公司Keil u Vision4環境下開發的，子程序包括：UART初始化，CAN初始化，軟件FIFO初始化，UART串口接收中斷服務程序，UART發送中斷服務程序，CAN接收中斷服務程序，CAN發送中斷服務程序，參數設置、存儲子程序，參數存儲地址遍歷程序等。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

由于STM 32的UART沒有緩存寄存器，而其CAN控制器在接收端有2個3級深度的FIFO、發送端有3個發送郵箱。UART是以字節為單位發送數據，CAN是以可配置的多字節（小于9個字節）組成的幀為發送單位。所以有必要把接收到的CAN數據打包給串口發給上位機。另外結合CAN傳輸速率可最大化利用內存內建FIFO[5]。在UART向CAN發送數據的時候先打包在FIFO，再傳遞給CAN控制器，UART在接收的時候，從FIFO中依次讀出解包的數據。UART發送數據流程圖如圖6所示。

圖6 UART發送數據流程圖

UART接口軟件包括：UART初始化、UART發送數據程序、UART接收數據程序。UART初始化包含：數據位數、停止位位數、校驗模式、傳輸波特率、工作模式等。CAN接口程序包括：CAN初始化、CAN數據發送程序、CAN數據接收程序。CAN初始化包含：地址設定、波特率設置、標識符過濾設置、工作模式等。FIFO初始化是在總程序初始化的時候建立的。根據UART、CAN雙方的傳輸速度及CAN數據格式和打包模式可以最大限度的利用內存內建FIFO。

3 轉換器應用實例

轉換器的硬件與軟件設計好后，對轉換器進行實際應用。在物聯網的智能農業應用中，CAN總線設備組成CAN網絡對環境的溫濕度、土壤PH值等參數進行實時檢測，把檢測數值傳送給中央控制室的PC機，PC機根據參數數值控制CAN網絡中的執行單元，對土壤灌溉或者通風等。CAN網絡與PC機進行通信中，使用了所設計的CAN總線與RS232的協議轉換器。使用中將串口速率設置為每秒57.6kbit，CAN總線接口的通信速度設置為每秒125kb it。經過實際驗證，在CAN系統的發送速率在每秒100幀以下時，能夠保證上位機接收到所有的數據幀，而不發生丟幀事故。

4 結束語

本文介紹了一種基于STM 32單片機的RS232-CAN總線通信協議轉換器，從硬件和軟件兩個方面對其進行了介紹。轉換器能夠實現串口協議與CAN總線協議間的轉換，能夠實現多點的CAN總線網絡數據與單點的串口數據進行透明傳輸。在物聯網的智能農業應用中，取得很好效果，具有一定工程意義。該轉換器體積小，成本低，便于實現，易于推廣。

[1] 饒運濤,鄒繼君,王進宏,等.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007:13-14.

[2] 楊鵬,王曉雷,許曉云,等.RS-232-CAN智能轉換卡的設計[J].儀表技術與傳感器,2009(12):97-98,107.

[3] 胡鳳忠,羅志年,廖亦凡.基于CAN總線的密集烤房群遠程監控系統[J].儀表技術與傳感器,2012(12):61-63.

[4] 張珣,葉海龍.基于CAN總線的船舶數據通信系統[J].機電工程,2010,27(3):89-92.

[5] 王愛林,劉榮華,嚴頂.基于STM 32的CAN-USB轉換模塊[J].儀表技術與傳感器,2012(6):69-70,73.