RS485-CAN 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

　　1 RS485 及CAN 總線(xiàn)簡(jiǎn)介

　　RS485 是一種平衡傳輸方式的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，采用半雙工異步數(shù)據(jù)通信方式?；谠赗S485 總線(xiàn)上只能有一個(gè)主機(jī)的特點(diǎn)，它往往應(yīng)用在集中控制樞紐和分散控制單元之間。同時(shí)RS485 的總線(xiàn)效率低，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性差，通信的可靠性低，后期維護(hù)成本高，網(wǎng)絡(luò)工程調(diào)試復(fù)雜，傳輸距離不理想，單總線(xiàn)可掛接的節(jié)點(diǎn)少等缺點(diǎn)也局限了其應(yīng)用。

　　CAN(Controller Area Network,控制器局域網(wǎng))現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(luò)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一。它的總線(xiàn)長(zhǎng)度最遠(yuǎn)可達(dá)10 千米(速率5Kbps 以下)，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)1Mbps（通訊距離40 米以?xún)?nèi)）。它在多主方式下工作，不分主從。采用非破壞總線(xiàn)仲裁技術(shù)，即使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓現(xiàn)象。此外，CAN 的每幀信息都有CRC 校驗(yàn)和其它檢錯(cuò)措施，有很好的檢錯(cuò)效果。由于CAN 總線(xiàn)具備以上優(yōu)點(diǎn)，它目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到汽車(chē)電子、電力系統(tǒng)、航空工業(yè)和自動(dòng)工作等領(lǐng)域中，并形成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一。

　　一時(shí)間完全放棄RS485網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，添加一個(gè)CAN總線(xiàn)接口，從而實(shí)現(xiàn)RS485網(wǎng)絡(luò)與CAN網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　RS485-CAN轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，整個(gè)硬件系統(tǒng)分為5個(gè)模塊：微控制器模塊，基本模塊，CAN接口模塊，RS485模塊和儲(chǔ)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(wú)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(chǔ)存模塊

　　這三個(gè)模塊的設(shè)計(jì)屬于常規(guī)設(shè)計(jì)，因此省去具體的電路圖。需要說(shuō)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(jī)，但是本設(shè)計(jì)基于系統(tǒng)成本，性?xún)r(jià)比以及微控制器的應(yīng)用普遍性的考慮，使用的是ATMEL 的AT89C52 單片機(jī)；基本模塊主要是完成微控制器的外圍電路設(shè)計(jì)，主要包括電源和晶振以及復(fù)位電路等；儲(chǔ)存模塊主要是用來(lái)儲(chǔ)存系統(tǒng)的配置信息，如CAN 波特率，RS485 波特率等，要求的儲(chǔ)存空間較小，1K 的片外EEPROM 足夠使用，當(dāng)然也可以選擇自帶EEPROM 的微處理器。

圖1：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

　　2.2 CAN 接口模塊

　　CAN 接口模塊包括總線(xiàn)控制器和收發(fā)器兩部分。CAN 總線(xiàn)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(xiàn)協(xié)議規(guī)定的CAN 控制器，可完成報(bào)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(qiáng)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(xiàn)的接口，是一種標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)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(hào)，接單片機(jī)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(xiàn)所要求的電平邏輯。

　　高速光耦6N137提高了總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)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(hù)元器件；另外在總線(xiàn)兩端的設(shè)備加120歐姆的匹配電阻會(huì)使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性以及可靠性大大加強(qiáng)，CANH和CANL與地之間并聯(lián)兩個(gè)30PF的小電容，可以濾除總線(xiàn)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(hù)電路同樣適合RS485模塊的設(shè)計(jì)。

　　2.3 RS485 接口模塊

　　RS485 接口模塊采用MAX485 芯片作為總線(xiàn)收發(fā)器，它是+5V 低功耗半雙工器件。MAX485 的驅(qū)動(dòng)器輸出是差分輸出，完全滿(mǎn)足RS485 串行協(xié)議的要求，兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)除了實(shí)現(xiàn)單個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序以外，最主要的就是實(shí)現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)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(gè)標(biāo)識(shí)符域，CAN控制器的全局濾波器會(huì)檢測(cè)這個(gè)標(biāo)識(shí)域，決定是否接收本幀數(shù)據(jù)。由于RS485網(wǎng)絡(luò)上，所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)同時(shí)收到數(shù)據(jù)，因此可以為所有的RS485從設(shè)備設(shè)定同一個(gè)標(biāo)識(shí)符。一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)若要發(fā)送數(shù)據(jù)給RS485設(shè)備，只需在該幀把標(biāo)識(shí)符域設(shè)定為相應(yīng)的標(biāo)識(shí)符即可；RS485本質(zhì)上僅僅是一個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，其幀格式完全由用戶(hù)自己定義。最終在RS485總線(xiàn)中傳輸還是以幀為單位，其中包含了地址信息。RS485設(shè)備會(huì)自動(dòng)根據(jù)接收到的幀，自動(dòng)判斷該幀是否發(fā)往本節(jié)點(diǎn)，然后做出相應(yīng)處理。因此，在RS485設(shè)備要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，RS485-CAN總線(xiàn)轉(zhuǎn)換器只需把RS485總線(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(luò)上；而RS485設(shè)備在接收數(shù)據(jù)時(shí)，RS485-CAN總線(xiàn)轉(zhuǎn)換器則把RS485總線(xiàn)的數(shù)據(jù)幀從接收到的CAN數(shù)據(jù)幀中提取出來(lái)，發(fā)往RS485設(shè)備即可。