基于ATMEGA128的CAN-GPRS网关

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1．   引言
CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，属于工业现场总线的范畴。CAN总线与一般的通信总线相比，数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其应用范围已扩展到自动控制、航空航天、机械工业及传感器等领域。
GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称。相对原来GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式，它是一种基于第二代移动通信系统GSM的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”的优点。
随着GPRS移动通信技术的成熟，通过CAN-GPRS网关将CAN现场设备网和远程技术控制中心联系起来，使远程技术控制中心具备了对CAN现场设备网的即时反应、远程监测以及远程诊断的能力。
2．   CAN-GPRS网关硬件电路设计
2．1  系统硬件结构框图



图 1 CAN-GPRS网关原理框图
       CAN-GPRS网关由CAN收发器、CAN控制器、微控制器、RS-232接口、GPRS模块组成。原理如图1所示。微控制器对CAN和RS-232接口的数据进行处理与转发实现网关的功能。
在本文的应用中，CAN现场设备网包括CAN主控器和CAN设备，网络通信包含三种数据，CAN主控器发送的命令数据，CAN设备发送的设备数据和心跳数据。CAN-GPRS网关对CAN现场设备网的数据进行监听，对CAN设备发往CAN主控器的心跳数据和CAN主控器发往CAN设备的命令数据进行过滤，而只让CAN设备发送的设备数据通过GPRS网络传输至远程技术控制中心。远程技术控制中心则通过GPRS网络将命令数据转发至CAN现场设备网。
2．2  系统硬件电路设计
本文采用ATMEGA128作为系统微控制器，ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微控制器，具有128K字节的系统内可编程Flash，4K字节的内部SRAM，4K字节的内部EEPROM，使得系统无需外扩ROM和RAM即可实现网关的功能。CAN控制器采用应用非常广泛的PHILIPS半导体的独立CAN控制器SJA1000。CAN收发器采用 PHILIPS的TJA1040，在功能上TJA1040是PCA82C250/251高速CAN收发器的后继产品。ATMEGA128与SJA1000 以外部总线方式连接。SJA1000的8位数据/地址复用总线、控制总线分别与ATMEGA128的数据/地址复用总线、控制总线连接；ATMEGA128高8位地址总线的A8位经74F04反向后连接至SJA1000的片选引脚；SJA1000的中断输出引脚是开漏输出，通过上拉电阻连接至ATMEGA128的INT0引脚。ATMEGA128与SJA1000接口电路图如下图所示：


ETPro++ GPRS模块是一款内嵌TCP/IP协议的GPRS Modem，通常适用于不具备TCP/IP协议栈的单片机系统。ETPro++ GPRS模块的硬件接口为RS-232接口。ATMEGA128的UART0经MAXIM3232电平转换后与ETPro++ GPRS模块的RS-232接口连接。具体接口电路图如下图所示：

图3  ATMEGA128与MAX3232接口电路图
3．   CAN-GPRS网关软件程序设计
3．1  引入μC/OS-II实时操作系统
CAN-GPRS网关对系统的实时性和可靠性要求较高，在系统中嵌入μC/OS-II将增强系统的实时性和可靠性。采用 μC/OS-II 实时操作系统简化了设计过程，把应用程序代码分割成单独的任务，所有时间占重要地位的事件可以尽可能快和有效的得到处理。系统包括初始化和任务两大部分。系统初始化又包括微控制器初始化、CAN初始化、GPRS模块初始化。任务包含CAN接收数据处理、GPRS接收数据处理两个任务。
3．2  CAN的初始化
由于需要监听CAN现场设备网所有节点发送的数据，所以对SJA1000的验收屏蔽寄存器（AMR）所有位置位以保证可以接收总线上的所有数据。下面给出这部分的源代码：
INT8U   SJA1000Init(void)
{
if( SJA1000_CREATE_COMMUNATION() )
return FALSE;                     //SJA1000接口出错，返回
if( SJA1000_ENTER_RETMODEL() )
return FALSE;                     //SJA1000进入复位模式出错，返回
SJA1000_SET_OUTCLK(0xaa,0xc8);               //Pelican 模式
SJA1000_SET_BANDRATE(ByteRate_125k);            //设置波特率为125Kbps
SJA1000_SET_OBJECT(0,0xff);                //设置验收代码寄存器、验收屏蔽寄存器  
SJA1000_SET_MOD();               //单滤波器模式
if( BCAN_QUIT_RETMODEL() )
return FALSE;                     //SJA1000退出复位模式出错，返回
      
SJA1000_BCANAdr = (INT8U *)REG_IER;       //访问中断使能寄存器
*SJA1000_BCANAdr = 0xFD;                 //使能接收中断
       return (0);               
}
3．3  GPRS模块的初始化
ETPro++ GPRS模块有两种工作模式，一种是命令模式，一种是SerialNET模式。在命令模式下的通信,期间需要用命令进行干预。而在SerialNET模式下一旦配置好该模式的参数，进入该模式后，就可以直接按设定的参数进行数据传输，而无需再进行干预了。
在本设计中采用的是SerialNET模式。GPRS模块的初始化首先通过UART0发送三个’+’退出在线模式，之后大约等待15秒左右，收到I/ERROR (056)之后即可以向模块发送命令。发送AT+IUP命令上线并建立一个PPP Internet连接开始Internet会话，收到I/ONLINE后即成功上线。再发送AT+I!SNMD 激活SerialNET长连接模式，收到I/DONE即进入serialNET模式，此时则可进行数据传输。（源代码略）
3．4  CAN接收数据处理任务
CAN数据的接收与处理通过外部中断0来实现，当数据接收完成时产生中断，在中断程序中发送CAN信号量通知CAN接收数据处理任务对收到的数据进行处理。其流程图如下（源代码略）：





图4  CAN接收数据处理任务流程图
3．5  GPRS接收数据处理任务
GPRS数据的接收与处理通过UART0接收中断来实现，在UART0接收中断程序中发送UART0信号量通知GPRS接收数据处理任务对收到的数据进行处理。不同的是通过UART0将数据转发到CAN接口上，就不再赘述。
4．   结束语
本文设计的CAN-GPRS网关电路简单可靠, 使用方便。现已应用于某工程当中，实际运行状况良好，数据传输稳定可靠，很好的达到了预期设计的效果。
本文作者创新点：采用GPRS模块将CAN现场设备网通过GPRS与远程技术控制中心联系起来，实现了远程技术控制中心对CAN现场设备网的即时反应、远程监测以及远程诊断。
参考文献:
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