摘 要

伴随着社会经济的发展与科学技术的进步，工业生产、交通运输等行业中的各类控制设备也逐渐朝着自动化，智能化的方向转型。总线技术在工业生产和控制领域的地位举足轻重，但是不同种类的总线之间无法进行直接通信，在生产生活中的应用就会造成诸多不便。本文正是在此背景之下，进行多协议转换网关的设计，主要研究内容如下：

通过对协议网关的功能需求分析，给出了设计整体的架构设计，并且对协议网关的软件和硬件设计部分进行了着重分析。采用Atmel公司的ATmega16单片机作为主控芯片、Microchip公司的MCP2515独立CAN总线控制器以及Philips公司的TJA1050高速CAN总线收发器。完成了IIC、CAN、RS232硬件接口以及网关整体的电路设计。根据网关架构及流程图，采用C语言进行编程，最终进行软件仿真以及硬件测试。对于协议转换过程中，通信速率不匹配的情况，提供了详细的解决方案。

关键词：单片机；IIC；CAN；RS232；协议网关

Abstract

Along with social progress and technology development, industrial production, various types of control equipment in transportation and other industries gradually transform toward automation, intelligent direction. Status of control bus technology in industrial production is very important, but different types of bus can't be directly connected, which will cause a lot of inconvenience. This article is in this context, designed a multi-protocol translation gateway, the main contents are as follows:

Through the analysis of protocol gateway functional requirements, this paper provided the design of the overall architecture, and analyzed software and hardware of the protocol gateway emphatically. Using Atmel's ATmega16 microcontroller as the main control chip, Microchip's MCP2515 stand-alone CAN bus controller and Philips's TJA1050 high speed CAN bus transceiver. Completed IIC, CAN, RS232 hardware interface and gateway overall circuit design. According to the gateway architecture and flow chart, using the C programming language, finally completed software simulation and hardware testing. In the case of protocol conversion process, the communication does not match the rate, providing a detailed solution.

Key Words：Single chip microcomputer；IIC；CAN；RS232；Protocol gateway

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外发展现状及分析 1

1.3 本文的主要研究内容 3

第2章 协议网关的整体结构及方案设计 4

2.1 功能需求与分析 4

2.2 网关整体结构与方案设计 4

2.3本章小结 5

第3章 协议网关的硬件设计 6

3.1 硬件的选型 6

3.1.1主控芯片的选择 6

3.1.2 总线硬件接口的选择 7

3.2 外围电路的设计 7

3.2.1 电源电路 8

3.2.2 复位电路 8

3.2.3 时钟电路 9

3.2.4 CAN总线通讯电路 10

3.2.5 RS232电平转换电路 11

3.3 协议网关的PCB图设计 11

3.4 本章小结 12

第4章 协议网关软件设计 13

4.1 协议网关整体软件架构及功能设计 13

4.2 分模块软件设计 14

4.2.1 RS232总线模块软件设计 14

4.2.2 IIC模块软件设计 15

4.2.3 CAN模块软件设计 15

4.2.4 主程序控制模块软件设计 16

4.3 本章小结 17

第5章 网关软硬件集成与测试分析 18

5.1 协议网关功能接口的软件仿真 18

5.1.1 USART串口功能仿真 18

5.1.2 TWI接口功能仿真 19

5.1.3 SPI接口功能仿真 19

5.2 协议网关的硬件测试 20

5.2.1 CAN-RS232硬件功能测试 21

5.2.2 CAN-IIC硬件功能测试 21

5.2.3 IIC-CAN硬件功能测试 22

5.2.4 RS232-IIC硬件功能测试 23

5.2.5 IIC-RS232硬件功能测试 24

5.3本章小结 24

第6章 总结 25

参考文献 26

附录A 28

附录B 29

附录C 30

致 谢 59

第1章 绪论

伴随着现场总线技术和Internet网络技术的兴起，控制系统向着分散化、网络化、智能化的方向发展^[1]。在现有的控制技术之中，嵌入式控制技术因其软硬件可裁剪，可靠性高，成本低廉，设备体积小而且功耗低等特点，占据着相当一部分市场份额。伴随着嵌入式控制技术一起发展起来的还有总线通信技术。目前市场中各种控制系统琳琅满目，不同厂商生产的设备所采用的总线技术也不尽相同。不同的总线标准之间无法直接互联，而且在短时间内也不会有统一的总线标准可以取代现有的各类总线。这使得控制系统之间的信息交互变得极为不便，而能够解决控制系统之间相互通信问题的一条有效途径就是使用网关。

1.1 研究背景及意义

科学技术的不断进步和社会经济的飞速发展，要求现代工业必须朝着自动化和智能化的方向转变。早在2013年4月德国的汉诺威工业博览会上，德国政府率先提出“工业4.0”概念，旨在进一步提高德国工业的竞争力，在新的“第四次工业革命”中占领先机。著名的西门子公司早已将这一概念引入到其生产控制系统和工业软件的开发之中。我国也在2014年提出了“中国制造2025”的发展规划，具体涵盖了：新一代信息技术、航空航天装备以及高档数控机床等十多个高精尖领域。与美国的“工业互联网”三者基本理念如出一辙：充分利用通信技术手段并结合时下高速发展的信息物理系统，将传统工业向着智能化的方向转型。总线通信技术则是智能化工业生产中非常重要的环节。

总线原意是指计算机系统中各种功能部件之间用来传送信息的公共通信干线，后来泛指各类系统中用以通信的公共线路^[2]。总线的存在，使得整个系统内各部件之间、系统与系统之间的信息能够方便地进行传输、交换、共享和逻辑控制等功能。总线技术在现代工业控制领域应用越来越广泛。按照数据传输的方式划分，总线可以被分为串行总线和并行总线。常见的串行总线有USB、IEEE1394、SPI、I2C、RS232、CAN等；而并行总线相对来说种类要少，常见的如ISA、IEEE1284、PCI等。在现代工业生产中，通常采用工控机、PLC等对生产设备进行控制和管理。由于具有接线少，低成本等特点，串行通信标准被广泛应用于控制器与生产设备之间的信息交互之中。但是由于每一种总线标准所采用的网络传输介质不同，传输速率也高低不一，不同总线网络之间由于协议的不兼容不能直接通讯，进而导致总线之间的信息传输不得不经过控制器解码和重新编码这一繁琐过程，造成控制器响应的延迟以及资源的浪费。因此，建立不同类型总线网络之间的连接和转换非常重要，通信网关便在总线之间起到了信息桥梁的作用。

1.2 国内外发展现状及分析

多种总线标准并存是国内外总线技术的发展现状。在现场总线国际标准IEC61158中采用了8种类型，再加上SDS、ASI、Device Net和CAN总线协议，现场总线国际标准一共有12种^[3]。根据生产需要和利益需求，有一些公司也提出了自己的总线标准，目前世界上已有100多种，每一种总线都有着自己的特点和标准，其中应用比较广泛的有Bosch公司的CAN总线，Echelon公司的LonWorks总线等。每种总线都有着自己的应用领域，没有一种总线能够完全满足所有的需求。各总线的应用领域如图1.1所示。