RS485-CAN轉(zhuǎn)換器的設計

　　RS485 是一種平衡傳輸方式的串行接口標準，采用半雙工異步數(shù)據(jù)通信方式?；谠赗S485 總線上只能有一個主機的特點，它往往應用在集中控制樞紐和分散控制單元之間。同時RS485 的總線效率低，系統(tǒng)的實時性差，通信的可靠性低，后期維護成本高，網(wǎng)絡工程調(diào)試復雜，傳輸距離不理想，單總線可掛接的節(jié)點少等缺點也局限了其應用。

　　CAN(Controller Area Network,控制器局域網(wǎng))現(xiàn)場總線是一種由帶CAN 控制器組成的高性能串行數(shù)據(jù)局域通信網(wǎng)絡，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。它的總線長度最遠可達10 千米(速率5Kbps 以下)，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達1Mbps（通訊距離40 米以內(nèi)）。它在多主方式下工作，不分主從。采用非破壞總線仲裁技術，即使網(wǎng)絡負載很重也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡癱瘓現(xiàn)象。此外，CAN 的每幀信息都有CRC 校驗和其它檢錯措施，有很好的檢錯效果。由于CAN 總線具備以上優(yōu)點，它目前已經(jīng)被廣泛應用到汽車電子、電力系統(tǒng)、航空工業(yè)和自動工作等領域中，并形成了國際標準，被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。

　　一時間完全放棄RS485網(wǎng)絡系統(tǒng)是有困難的，尤其是在已經(jīng)具有現(xiàn)成的硬件網(wǎng)絡中。因此考慮一種折中的方法，就是在保留現(xiàn)有RS485系統(tǒng)硬件結構的基礎上，添加一個CAN總線接口，從而實現(xiàn)RS485網(wǎng)絡與CAN網(wǎng)絡的互聯(lián)。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　RS485-CAN轉(zhuǎn)換器硬件設計框圖如圖1所示，整個硬件系統(tǒng)分為5個模塊：微控制器模塊，基本模塊，CAN接口模塊，RS485模塊和儲存模塊。其中CAN接口模塊的CAN控制器的選用要依據(jù)微控制器模塊，如果選擇的微控制器中集成了CAN控制器，則無需外接CAN控制器，否則需要外接CAN控制器。

　　2.1 微控制器模塊，基本模塊以及儲存模塊

　　這三個模塊的設計屬于常規(guī)設計，因此省去具體的電路圖。需要說明的是微控制器可以選擇內(nèi)部集成了CAN 控制器的單片機，但是本設計基于系統(tǒng)成本，性價比以及微控制器的應用普遍性的考慮，使用的是ATMEL 的AT89C52 單片機；基本模塊主要是完成微控制器的外圍電路設計，主要包括電源和晶振以及復位電路等；儲存模塊主要是用來儲存系統(tǒng)的配置信息，如CAN 波特率，RS485 波特率等，要求的儲存空間較小，1K 的片外EEPROM 足夠使用，當然也可以選擇自帶EEPROM 的微處理器。

圖1：系統(tǒng)硬件設計框圖

　　2.2 CAN 接口模塊

　　CAN 接口模塊包括總線控制器和收發(fā)器兩部分。CAN 總線控制器選擇的是SJA1000，它是Philips 公司推出的一款完全符合CAN 總線協(xié)議規(guī)定的CAN 控制器，可完成報文控制，數(shù)據(jù)濾波等CAN 控制器功能，SJA1000 不僅兼容PCA82C200 支持的BasicCAN(CANBUS2.0A)模式，還支持功能更強的PeliCAN(CANBUS 2.0B)模式；收發(fā)器選擇的是TJA1050，它是CAN 協(xié)議控制器和物理總線的接口，是一種標準的高速CAN 收發(fā)器。

圖2：CAN 模塊電路圖

　　如圖2所示SJA1000的AD0-AD7與單片機的數(shù)據(jù)總線相連，P2.0引腳作為SJA1000的片選使能端，由ALE，WR，RD控制SJA1000的數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。11腳MODE接高電平，選用51系列的8位微控制器的Intel二分頻模式。16腳是中斷信號，接單片機的外部中斷引腳。TX1腳懸空，RX1腳的電位必須維持在0.5VCC以上,否則將不能形成CAN總線所要求的電平邏輯。

　　高速光耦6N137提高了總線節(jié)點的抗干擾能力，TVS能避免數(shù)據(jù)受到不必要的外界影響并能保護元器件；另外在總線兩端的設備加120歐姆的匹配電阻會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性以及可靠性大大加強，CANH和CANL與地之間并聯(lián)兩個30PF的小電容，可以濾除總線上的高頻干擾并且具有一定的防電磁輻射的能力。這些額外的保護電路同樣適合RS485模塊的設計。

　　2.3 RS485 接口模塊

　　RS485 接口模塊采用MAX485 芯片作為總線收發(fā)器，它是+5V 低功耗半雙工器件。MAX485 的驅(qū)動器輸出是差分輸出，完全滿足RS485 串行協(xié)議的要求，兼容工業(yè)標準規(guī)范，符合RS485 串行協(xié)議的電氣規(guī)范。電路連接如圖3。

圖 3：RS485 模塊電路圖

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　本系統(tǒng)的軟件設計除了實現(xiàn)單個模塊的驅(qū)動程序以外，最主要的就是實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡間不同協(xié)議的轉(zhuǎn)換。CAN協(xié)議參考模型中定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，RS485協(xié)議參考模型中只定義了物理層。因此建立圖4所示的協(xié)議模型。

　　CAN的幀格式中，有一個標識符域，CAN控制器的全局濾波器會檢測這個標識域，決定是否接收本幀數(shù)據(jù)。由于RS485網(wǎng)絡上，所有節(jié)點都會同時收到數(shù)據(jù)，因此可以為所有的RS485從設備設定同一個標識符。一個CAN節(jié)點若要發(fā)送數(shù)據(jù)給RS485設備，只需在該幀把標識符域設定為相應的標識符即可；RS485本質(zhì)上僅僅是一個物理層標準，其幀格式完全由用戶自己定義。最終在RS485總線中傳輸還是以幀為單位，其中包含了地址信息。RS485設備會自動根據(jù)接收到的幀，自動判斷該幀是否發(fā)往本節(jié)點，然后做出相應處理。因此，在RS485設備要發(fā)送數(shù)據(jù)時，RS485-CAN總線轉(zhuǎn)換器只需把RS485總線的數(shù)據(jù)進行幀打包后送入CAN的數(shù)據(jù)幀中，然后發(fā)送到CAN網(wǎng)絡上；而RS485設備在接收數(shù)據(jù)時，RS485-CAN總線轉(zhuǎn)換器則把RS485總線的數(shù)據(jù)幀從接收到的CAN數(shù)據(jù)幀中提取出來，發(fā)往RS485設備即可。

圖4：RS485-CAN 協(xié)議模型

　　3.1CAN 接口軟件設計

　　CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層結構可分為邏輯鏈路控制(LLC)子層和媒體訪問控制(MAC)子層。LLC子層主要完成幀接收濾波，超載通告和恢復管理，而MAC子層結構功能模塊包括發(fā)送和接收兩個部分。對于CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層的各種協(xié)議已經(jīng)被集成到SJA1000芯片中，應用時只要對SJA1000芯片的控制寄存器進行相應的初始化即可進行通信，而數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等也是通過讀寫SJA1000內(nèi)部寄存器來實現(xiàn)的。這里只給出SJA1000的初始化源程序，其它程序可參考文獻[2]進行編寫。

　　SJA1000開始工作之前，首先要判斷SJA1000與微處理器的連接是否正確，在確認正確后開始SJA1000的初始化，之后SJA1000進入工作模式，然后才可以進行數(shù)據(jù)的讀寫。

　　typedef struct _CAN_PORTSTRUCT /*SJA1000初始化配置文件結構體*/

　　{

　　FIL filter; /*濾波方式*/

　　LIS lisen; /*只聽模式/正常模式*/

　　TES test; /*自測試模式/正常模式*/

　　SLE sleep; /*睡眠模式設置*/

　　BAUD baud_rate; /*波特率*/

　　MODEL workmodel ; /*工作模式*/

　　UCHAR mask1;

　　UCHAR mask2;

　　UCHAR mask3;

　　UCHAR mask4;

　　UCHAR code1;

　　UCHAR code2;

　　UCHAR code3;

　　UCHAR code4;

　　}CAN_PORT,*CANPORTPTR;

　　STATUS sja1000Init(CANPORTPTR pDev) /*SJA1000初始化*/

　　{

　　UCHAR value;

　　canBoardInit()； /*進入復位模式*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_MOD,MOD_RM); /*確定CAN控制器工作模式*/

　　value = canBoard_canInByte(SJA1000_CDR);

　　if(pDev->workmodel == Peli) value|= PeliCAN ;

　　else value &= ~PeliCAN;

　　/*設置模式寄存器(只在PeliCAN模式可訪問)*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_CDR,value|0x48);

　　value = canBoard_canInByte(SJA1000_MOD);

　　if(pDev->sleep == SNORM) value &=~(MOD_SM); /*睡眠模式*/

　　else value|= MOD_SM; /*正常模式*/

　　if(pDev->lisen == LNORM) value&= ~(MOD_LOM); /*正常模式*/

　　else value|= MOD_LOM; /*只聽模式*/

　　if(pDev->test == TNORM) value&= ~(MOD_STM); /*正常模式*/

　　else value|= MOD_STM; /*自檢測模式*/

　　if(pDev->filter == SINGLE) value|= MOD_AFM; /*單向驗收濾波*/

　　else value &=(~MOD_AFM); /*雙向驗收濾波*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_MOD,value);

　　switch (pDev->baud_rate)

　　{

　　case B20: //波特率為20kpbs

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR0,0x07);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR1,0x7F);

　　break;

　　case B80: //波特率為80kpbs

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR0,0x01);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR1,0x7F);

　　break;

　　case B250: //波特率為250kpbs

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR0,0x00);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR1,0x1C);

　　break;

　　case B500: //波特率為500kpbs

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR0,0x00);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR1,0x14);

　　break;

　　default: //默認波特率為20kpbs

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR0,0x07);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_BTR1,0x7F);

　　}

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_CMR,0); /*設置命令寄存器*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_EWLR,0x60); /*設置錯誤報警限額寄存器*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_IER,0); /*不使能所有中斷*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_OCR,0xaa); /*輸出控制寄存器設置*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_TXERR,0x0); /*設置發(fā)送錯誤計數(shù)器*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_RXERR,0x0); /*設置接受錯誤計數(shù)器*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_RMC,0); /*設置接收報文計數(shù)器*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_ACR0,pDev->code1);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_ACR1,pDev->code2); /*設置驗收代碼寄存器*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_ACR2,pDev->code3);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_ACR3,pDev->code4);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_AMR0,pDev->mask4);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_AMR1,pDev->mask4); /*設置驗收屏蔽寄存器*/

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_AMR2,pDev->mask4);

　　canBoard_canOutByte(SJA1000_AMR3,pDev->mask4);

　　return OK;

　　}

　　3.2 RS485接口軟件設計

　　RS485接口軟件設計主要包括串口的初始化，串口中斷處理等函數(shù)的編寫，因為RS485接口的軟件設計比較簡單，所以這部分可參考文獻[4]設計，這里省略。

　　結束語

　　CAN總線是當前應用最為廣泛的現(xiàn)場總線之一，而RS485總線是最常用的串行總線，二者之間的轉(zhuǎn)換具有很高的使用價值。設計應注意以下幾點：(1)RS485-CAN轉(zhuǎn)換器的主要任務是將數(shù)據(jù)以最快的速度轉(zhuǎn)發(fā)，流量和差錯控制應由通信雙方的應用層來完成，因此設計不能過于復雜。(2)處理速度是設計時首先考慮的一點，這將影響芯片的選型。(3)RS485-CAN的通用性取決于軟件方面的設計和協(xié)議的使用，硬件上都是兼容的。