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基于MSP430F449單片機+SJA1000CAN總線控制器+PCA82C200型CAN控制器+MAX3221/MAX3485的CAN總線接口轉(zhuǎn)換卡設計方案

來源： elecfans

2022-07-29

類別：工業(yè)控制

拍明芯城

原標題：基于MSP430系列單片機的CAN總線接口轉(zhuǎn)換卡設計方案

基于MSP430F449單片機和CAN總線的接口轉(zhuǎn)換卡設計方案

引言

CAN（Controller Area Network）總線是一種用于車輛內(nèi)部電子系統(tǒng)之間通信的標準總線。它最早由Bosch公司開發(fā)，現(xiàn)已廣泛應用于汽車、工業(yè)自動化、醫(yī)療設備等領域。本文將介紹一種基于MSP430F449單片機、SJA1000 CAN總線控制器、PCA82C200型CAN控制器和MAX3221/MAX3485的CAN總線接口轉(zhuǎn)換卡設計方案。

設計概述

本設計方案的目標是實現(xiàn)一個高效可靠的CAN總線接口轉(zhuǎn)換卡。該卡的核心組件包括：

MSP430F449單片機：負責數(shù)據(jù)處理和控制邏輯。
SJA1000 CAN總線控制器：負責CAN總線協(xié)議的實現(xiàn)。
PCA82C200型CAN控制器：用于CAN數(shù)據(jù)的收發(fā)。
MAX3221/MAX3485：提供RS232/RS485到CAN總線的物理層接口轉(zhuǎn)換。

以下是各組件在設計中的詳細作用及其實現(xiàn)方式。

MSP430F449單片機

概述

MSP430F449是德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的一款超低功耗16位單片機，具有豐富的外設接口和強大的處理能力。其主要特點包括：

16位RISC架構(gòu)
60 KB閃存
2 KB RAM
多種低功耗模式
豐富的串行通信接口（包括SPI、I2C、UART）

設計中的作用

在本設計中，MSP430F449的主要作用包括：

通信協(xié)議管理：負責與上位機（或其他外部設備）進行通信，接收和解析指令。
數(shù)據(jù)處理：根據(jù)接收到的指令，對數(shù)據(jù)進行處理和轉(zhuǎn)換。
控制邏輯：控制SJA1000 CAN控制器的工作狀態(tài)，管理數(shù)據(jù)的收發(fā)流程。
錯誤處理：監(jiān)控CAN總線的狀態(tài)，處理通信錯誤和異常情況。

具體實現(xiàn)

MSP430F449通過SPI接口與SJA1000 CAN控制器進行通信，接收來自CAN總線的數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)通過RS232/RS485接口發(fā)送給外部設備。系統(tǒng)初始化時，MSP430F449配置SJA1000的工作模式和波特率，并設置相應的中斷服務程序，以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理和錯誤監(jiān)控。

SJA1000 CAN總線控制器

概述

SJA1000是Philips公司（現(xiàn)為NXP公司）生產(chǎn)的一款獨立CAN控制器，支持CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議，具有以下特點：

支持標準幀和擴展幀
多種工作模式（包括正常模式、睡眠模式、接收僅模式等）
內(nèi)置64字節(jié)FIFO緩沖區(qū)
可編程中斷源

設計中的作用

SJA1000在本設計中作為CAN協(xié)議控制器，負責實現(xiàn)以下功能：

幀格式化：根據(jù)CAN協(xié)議格式化數(shù)據(jù)幀。
數(shù)據(jù)緩存：使用內(nèi)置FIFO緩沖區(qū)臨時存儲接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)。
錯誤檢測和處理：檢測總線錯誤（如位錯誤、填充錯誤、CRC錯誤等）并生成中斷。
數(shù)據(jù)收發(fā)：通過CAN總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

具體實現(xiàn)

SJA1000通過SPI接口與MSP430F449單片機連接，由MSP430F449發(fā)送控制指令和數(shù)據(jù)。在接收到CAN總線的數(shù)據(jù)后，SJA1000通過中斷通知MSP430F449，由單片機讀取數(shù)據(jù)并進行相應處理。發(fā)送數(shù)據(jù)時，MSP430F449將數(shù)據(jù)寫入SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)，并啟動發(fā)送過程。

PCA82C200 CAN控制器

概述

PCA82C200是Philips公司生產(chǎn)的一款CAN控制器，通常與CAN收發(fā)器配合使用。其主要特點包括：

兼容CAN2.0A協(xié)議
支持11位標準標識符
內(nèi)置發(fā)送和接收緩沖區(qū)
錯誤檢測和中斷功能

設計中的作用

在本設計中，PCA82C200主要用于實現(xiàn)基本的CAN協(xié)議功能，包括數(shù)據(jù)收發(fā)和錯誤檢測。其作用與SJA1000類似，但由于其僅支持CAN2.0A協(xié)議，通常用于簡單的CAN總線應用。

具體實現(xiàn)

PCA82C200通過并行接口與MSP430F449單片機連接，由單片機控制其工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)收發(fā)過程類似于SJA1000，由MSP430F449管理數(shù)據(jù)的讀寫和中斷處理。

MAX3221/MAX3485接口芯片

概述

MAX3221和MAX3485分別是Maxim公司生產(chǎn)的RS232和RS485接口芯片。它們的主要特點包括：

MAX3221：單通道RS232收發(fā)器，內(nèi)置電源轉(zhuǎn)換器，支持低功耗模式。
MAX3485：RS485/RS422收發(fā)器，支持半雙工通信，具有高抗干擾能力。

設計中的作用

在本設計中，MAX3221和MAX3485用于實現(xiàn)RS232和RS485接口的物理層轉(zhuǎn)換，分別支持與外部設備的RS232和RS485通信。具體功能包括：

電平轉(zhuǎn)換：將MSP430F449的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232或RS485電平。
通信控制：管理RS232/RS485通信的方向和數(shù)據(jù)流。
抗干擾：提供高抗干擾能力，確保數(shù)據(jù)通信的可靠性。

具體實現(xiàn)

MAX3221通過UART接口與MSP430F449連接，將單片機的TTL電平數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS232電平，并通過DB9接口與外部設備連接。MAX3485則通過UART接口與MSP430F449連接，將單片機的TTL電平數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS485電平，并通過RS485總線與外部設備連接。根據(jù)應用需求，系統(tǒng)可以選擇使用RS232或RS485接口進行通信。

硬件設計

電路設計

整個系統(tǒng)的硬件設計主要包括以下部分：

電源模塊：提供穩(wěn)定的電源電壓，確保各芯片正常工作。
MSP430F449最小系統(tǒng)：包括單片機、時鐘電路、復位電路等。
CAN總線接口：包括SJA1000和PCA82C200控制器及其相關電路。
RS232/RS485接口：包括MAX3221/MAX3485及其相關電路。

原理圖設計

詳細的電路原理圖需要根據(jù)具體的設計要求進行繪制，包括電源連接、接口連接、通信電路等。這里提供一個簡要的設計思路：

MSP430F449與SJA1000的連接：通過SPI接口連接，包括MOSI、MISO、SCK和CS引腳。
MSP430F449與PCA82C200的連接：通過并行接口連接，包括數(shù)據(jù)總線和控制引腳。
SJA1000與CAN收發(fā)器的連接：CANH和CANL引腳連接至CAN收發(fā)器，實現(xiàn)物理層通信。
MAX3221與MSP430F449的連接：通過UART接口連接，包括TXD和RXD引腳。
MAX3485與MSP430F449的連接：通過UART接口連接，包括TXD、RXD和DE/RE引腳。

PCB設計

在完成原理圖設計后，需要進行PCB布局和布線，確保信號完整性和抗干擾能力。主要注意以下幾點：

電源布局：確保電源布線短而粗，減少電源噪聲和干擾。
信號布線：保持高頻信號線的短而直，避免長距離平行布線。
地平面設計：使用完整的地平面，減少地電位差和電磁干擾。

軟件設計

系統(tǒng)初始化

在系統(tǒng)初始化階段，MSP430F449需要完成以下任務：

時鐘配置：設置系統(tǒng)時鐘源和時鐘頻率。
外設初始化：初始化SPI、UART等外設接口。
CAN控制器配置：設置SJA1000和PCA82C200的工作模式和波特率。

數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是系統(tǒng)的核心功能，包括以下步驟：

數(shù)據(jù)接收：通過SJA1000或PCA82C200接收CAN總線數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)解析：根據(jù)通信協(xié)議解析接收到的數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：將解析后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS232/RS485格式或其他適合的格式，準備發(fā)送給外部設備。
數(shù)據(jù)發(fā)送
數(shù)據(jù)發(fā)送過程包括以下步驟：
數(shù)據(jù)格式化：將要發(fā)送的數(shù)據(jù)格式化為CAN協(xié)議幀。
數(shù)據(jù)傳輸：通過SJA1000或PCA82C200將格式化后的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線。
物理層轉(zhuǎn)換：使用MAX3221或MAX3485將CAN總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS232或RS485格式。
數(shù)據(jù)傳輸控制：控制MAX3221/MAX3485的DE/RE引腳實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收切換。
錯誤處理
錯誤處理是保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的關鍵部分：
CAN總線錯誤：通過SJA1000或PCA82C200的錯誤中斷處理機制捕獲和記錄CAN總線錯誤。
通信錯誤：監(jiān)測RS232/RS485通信時可能出現(xiàn)的錯誤，如傳輸超時、接收錯誤等。
異常處理：在發(fā)生錯誤或異常情況時，系統(tǒng)需要采取適當?shù)拇胧?，如重新發(fā)送數(shù)據(jù)、重啟通信等。
中斷服務程序
為了實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理和響應，需要編寫中斷服務程序：
SJA1000中斷服務程序：處理SJA1000產(chǎn)生的接收中斷、發(fā)送中斷和錯誤中斷。
PCA82C200中斷服務程序：處理PCA82C200的接收中斷和發(fā)送中斷。
UART中斷服務程序：處理MAX3221/MAX3485的UART接收中斷，用于接收外部設備發(fā)送的數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)測試與調(diào)試
在硬件和軟件設計完成后，需要進行系統(tǒng)測試和調(diào)試：
功能測試：驗證CAN總線接口轉(zhuǎn)換卡的各項功能是否符合設計要求，包括數(shù)據(jù)收發(fā)、物理層轉(zhuǎn)換和錯誤處理功能。
性能測試：評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應速度，確保在各種工作條件下能夠正常工作。
兼容性測試：與外部設備進行通信測試，確保與不同廠家和型號的設備兼容性良好。
調(diào)試優(yōu)化：根據(jù)測試結(jié)果進行必要的調(diào)試和優(yōu)化，解決可能出現(xiàn)的硬件或軟件問題。
總結(jié)
本文介紹了基于MSP430F449單片機、SJA1000 CAN總線控制器、PCA82C200型CAN控制器和MAX3221/MAX3485的CAN總線接口轉(zhuǎn)換卡設計方案。通過合理的硬件選型和軟件設計，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)高效、可靠的CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)和RS232/RS485物理層轉(zhuǎn)換功能。設計過程中，重點考慮了各組件在系統(tǒng)中的角色和實現(xiàn)方式，以及系統(tǒng)整體的測試和調(diào)試過程。希望本文能夠為CAN總線接口轉(zhuǎn)換卡的設計提供一定的參考和指導。