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1、通信协议转换系统的设计与实现农松沁 1，王恒铭 2(同济大学海洋与地球科学学院海洋资源开发技术系，上海市 200092 )摘要：本课题采用基于 MC9S12XEP10微处理器的嵌入式系统，试图研制出一个通信协议转换系统，解决在海底观测系统数据传输中遇到的协议转换问题。本文介绍了系统的研发目的，系统的组成结构，以及相应 的系统程序。详细介绍了微处理器、电源模块、存储模块的分析与实现，以及RS232串口、|2C总线接口、SPI接口、CAN接口的情况及实现方法。对系统的硬件、软件的组成进行了分项、模块化逐步分析设计，并 最终实现了该系统的硬件电路原理图绘制，编写出各个系统接口的驱动程序和CAN协议转
2、换RS232协议的转换主程序。关键词： 嵌入式系统； RS232；CAN；SP|；|2CThe design and implementation of communication protocol conversion systemNONG Songqin 1,WANG Hengming 2( department of Marine resources development technology, school of ocean and earth science,Tongji university,Shanghai 200092)Abstract: This subject adopt
3、s MC9S12XEP100 microprocessor based embedded systems, trying to develop a communication protocol conversion system to solve problems of observation system data transmission protocol conversion at the bottom of the ocean. This paper introduces the system development purposes, system structure, and th
4、e corresponding program system. The analysis and implementation of a power supply module, storage module, microprocessor module are introduced in details. RS232 serial interface, |2C bus interface, SP| interface, the CAN interface are also given as implementation method in the paper. On the composit
5、ion of system hardware, software component, modular analysis and design step by step, and finally realizing the hardware circuit principle diagram of the system. Each system interface drivers and CAN to RS232 protocol conversion are achieved in the main program .2Key words: embedded system; RS232;CA
6、N ;SP|;| 2C0 引言海底分布着大量科学观测设备和各类传感器， 这些传感器通过各自的通信协议与陆地上 的基站或者计算机系统进行数据交换和执行。 由于生产商不同， 所以生产出来的设备大都遵 循不同的通信协议，比如 CAN 、SP|、 RS232、|2C 等。而基站基本采用 RS232 通信协议， 针对不同的传感器就要配置不同的协议转换装置， 这就给数据的传输和处理带来不必要的麻 烦，降低了效能。 所以我们打算做一个统一的转换装置， 输入端允许不同的通信协议传入数 据，经过协议转换后，输出端统一输出基站计算机系统常用的 RS232 协议。这样统一配置 到各个数据采集设备后， 就能在一定程度
7、上提高效能， 避免转换设备种类繁杂带来的潜在负 面影响。1通信协议转换系统概述1.1系统1.2系统的特点与意义海底观测系统由于科研的实际需要，要对传感器等数据采集设备进行长时间的监控及测试。不同的设备使用不同的通信接口：l2C、SPI、RS232、CAN等。但因为这些接口无法与基站的计算机直接相连，所以需要一个通信协议转换系统实现使用少量的计算机对大量数据 采集设备的监控。这个通信协议转换系统必须能对这四种接口进行转换，变成计算机系统能够接受的信号，我们称其为接口A。考虑到计算机所能提供的接口，因为RS232支持一个主机同多个外设之间的通信，所以我们把接口A定义成RS232接口，每个数据采集设
8、备连接一个协议转换器将其转成接口A之后，利用接口 A的总线功能来进行连接。1.3系统的总体分析整个通信协议转换系统的架构如图所示：传感器2传感器3通信协议转按系统计算机图1系统架构图Fig.1 System architecture diagram系统分为两个部分：系统程序（接口驱动程序及协议转换主程序）和协议转换器。协议转换器与要监控的数据采集设备一一对应，将采集设备的输出信号转换成RS232信号，然后组成一个 RS232总线网络，将信号送到基站的计算机系统。实现计算机系统的远程实时 监控。根据设计目的，我们只要求实现各个产品与计算机之间的通信，也就是说我们只需要完成各个接口（ l2C、SP
9、I、CAN ）与RS232接口之间的转换，各个接口之间因为没有相互通 信的需要，所以不需要进行转换。整个系统应具有一下几种功能：（1）RS232-I2C转换；RS232- SPI转换；RS232-CAN转换。针对不同的海底数据采集设备，调用其相应的功能。协议转换器利用 RS232接口与基站进行通信，接受基站计算机发出的初始化命令设置 功能，然后进入正常工作状态，将指定接口信号与RS232接口信号进行相互转换。除此之外，考虑到协议转换器用于工业生产当中，可靠性要求比较高， 所以协议转换器需要具有抗干扰能力，以保证系统平稳工作。整个通信协议转换器控制由嵌入式系统为核心构成。主芯片选用飞思卡尔公司生
10、产的MC9S12XEP100微控制器，选用实时操作系统卩C/OSI , I2C、SPI、CAN和RS232接口利用MC9S12XEP100自带的I/O 口和相应的接口芯片实现。2通信协议转换系统核心电路的分析与实现2.1基于 MC9S12XEP100芯片的最小系统*Husci 密W-M7X.2?opi-SLWIWJ ft J5-R学_UEsf._sb ra-ljnE HE98S0B-TFks址XKJvsJKJC3 si Kr-xv! am Jfl-. -i f i- xLirQmhiFJFig.2 minimum system diagramvuu ma11 1下K2.2电源电路的分析与实现该
11、系统的电源电路可以适用于海底观测网络降压后的12V和24V的电源输入。假设提供的电源为12V的直流电源。12V的电源经过保险丝 F11和二极管D11进入电源芯片。D11 的作用是防止用户接反电源而损坏硬件。F11为750mA的保险丝，对电路起保护作用。 Z11为稳压二极管，LM2576为电源转换芯片，可将接入的电源电压转换成5V , Z12为稳压二极管，是LM2576外围电路的组成部分。电感L1为电源芯片LM2576外围电路的组成部件。D12为电源指示灯。电路中的电容起到稳压和滤波的功能。图3电源模块原理图Fig.3 The principle diagram of the power sup
12、ply module2.3存储模块的分析与实现系统含有一个SD卡接口，其中LM1117芯片是低压差电压调节器，将5V电源转换为3.3V，用来给SD卡供电。系统的指令及数据集预先存放在SD卡中，工作时对 SD卡进行读写和存储。图4存储模块原理图Fig.4 The principle diagram of the memory module2.4通信转换模块的分析与实现2.4.1 CAN接口模块系统的CAN接口芯片采用的是德州仪器公司生产的3.3VCAN收发器SN65HVD234D，其低功耗、1M通信速率和过热保护的特点使得该芯片适用于较高通讯速率、良好抗干扰能 力和高可靠性 CAN总线的串行通信
13、。XEP100单片机的CAN模块具有标准和扩展两种数据帧、08字节数据长度和高达1Mbps的可编程比特率。CAN接口信号直接从 XEP100的CAN0 口接出，通过 CAN总线收发器 SN65HVD234D与外界CAN总线通信。CANHCANDHNRDLBKCHRCLvcc图5 CAN接口模块原理图Fig.5 the principle diagram of CAN interface module2.4.2 SPI接口模块SPI接口模块采用的是Ramtron公司生产的 4kb铁电随机存储器芯片FM25040A。XEP100上通过四个普通的I/O 口来实现SPI的CS、SCK、MOSI和MIS
14、O功能，数据的发 送和接收都通过编程函数来实现。SCK是SPI的串行时钟管脚，MOSI和MISO都是数据输入输出管脚，CS是从选择管脚。XEP100微控制器向FM25040A芯片写入数据之前，首先 要向FM25040A写入 “Write Enable命令；由FM25040A 读取数据时，首先是 “opcode”命令， 之后是读取数据地址的低8位，之后是要读取的数据。VCCR10110KCS1MISO23)2 I-Tvccl10KCSVCCsoHOLDWPSCKvssSIU103XCC1HOLD6SCKT-MOSIR10?10KVCC图6 SPI接口模块原理图Fig.6 the principl
15、e diagram of SPI interface module2.4.3 RS232 接口模块RS232接口模块采用的是美信公司专为RS232标准串口设计的单电源电平转换芯片图7 RS232接口模块原理图Fig.7 the principle diagram of RS232 interface module2.4.4 I2C接口模块IIC总线是双线、双向的串行总线，是与其它芯片交换数据的有效手段。该模块采用NXP公司的IIC总线的8位I/O接口资源扩展芯片 PCF8574芯片。基本的IIC总线数据传输速率最高为100Kbits/s，采用7位寻址，能够支持现有以及将来的高速串行传输应用，例如EEPROM和Flash存储器。2Fig.8 the principle diagram of I C interface module3通信协议转换系统各接口驱动程序和转换主程序的分析与实现3.1 RS
