基于PIC18單片機(jī)的CAN RS485轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

RS-485總線以雙絞線為物理介質(zhì)，工作在半雙工的通信狀態(tài)下，即同一時(shí)刻總線上只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)成為主節(jié)點(diǎn)而處于發(fā)送狀態(tài)，其它所有節(jié)點(diǎn)必須處于接收狀態(tài)。如果同一時(shí)刻有兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，將導(dǎo)致所有發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，即總線沖突。

為了避免這種總線沖突問(wèn)題，RS-485總線必須具備：

①以工作模式來(lái)說(shuō)，一般的RS-485總線工作在主從模式下；

②從通信節(jié)點(diǎn)來(lái)講，RS-485總線上的節(jié)點(diǎn)必須具備可以將自己的驅(qū)動(dòng)器切換到高阻態(tài)的功能。

以上是為適應(yīng)RS-485總線的特殊之處而采用的措施，這樣同時(shí)也帶來(lái)了一些不足。首先，這種總線工作方式在很多對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性要求高的工業(yè)控制場(chǎng)合有較大的局限性；其次，對(duì)驅(qū)動(dòng)器實(shí)行的“發(fā)送態(tài)—高阻態(tài)”切換以及切換延遲等功能要求會(huì)使編程變得復(fù)雜。同時(shí)在上電瞬間、CPU損壞或者程序跑飛的情況下，還需要考慮復(fù)雜的故障保護(hù)等問(wèn)題，否則將容易引起總線故障。

控制器局域網(wǎng)CAN-bus (Controller Area Network)是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。最初CAN-bus被設(shè)計(jì)作為汽車(chē)環(huán)境中的微控制器通訊，意在車(chē)載各電子控制裝置ECU之間交換信息，從而形成汽車(chē)電子控制網(wǎng)絡(luò)。如今，作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，CAN-bus已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。而且它在通信能力、可靠性、實(shí)時(shí)性、靈活性、易用性、傳輸距離等方面較RS-485總線有著明顯的優(yōu)勢(shì)，因而用CAN總線取代RS-485總線將是大勢(shì)所趨。

基于RS-485網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)場(chǎng)的廣泛應(yīng)用，目前完全放棄RS-485網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的。但可以考慮一種折衷的辦法．就是在系統(tǒng)保留現(xiàn)有RS-485系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加一個(gè)CAN-bus接口，本設(shè)計(jì)的CAN485智能轉(zhuǎn)換器就具有這樣的現(xiàn)實(shí)意義。它可以實(shí)現(xiàn)RS-485網(wǎng)絡(luò)與CAN網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。



1 CAN-485轉(zhuǎn)換器原理

圖2所示是一種CAN-485智能轉(zhuǎn)換器的原理框圖，本設(shè)計(jì)采用PIC18F258單片機(jī)為核心，該單片機(jī)自帶CAN收發(fā)接口，因此可簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，提高運(yùn)行效率。PIC18F258的主要特征如下：

◇通過(guò)ISO CAN標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試；

◇執(zhí)行CAN協(xié)議：CAN1.2 CAN2.0ACAN2.0B；

◇標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)模式；

◇0-8位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；

◇可編程速率高達(dá)1 Mbps；

◇2個(gè)數(shù)據(jù)接收緩沖器；

◇6個(gè)完全接收濾波器，2個(gè)對(duì)應(yīng)高優(yōu)先權(quán)緩沖器，4個(gè)對(duì)應(yīng)低優(yōu)先權(quán)緩沖器；

◇2個(gè)完全接收掩碼器；

◇3個(gè)具有優(yōu)先權(quán)的發(fā)送緩沖器。



由于單片機(jī)的輸出電流比較弱，難以驅(qū)動(dòng)光電隔離器，為保險(xiǎn)起見(jiàn)，信號(hào)輸入光耦前要經(jīng)過(guò)74HC573鎖存；同樣為了增加信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，經(jīng)過(guò)隔離的信號(hào)要再次經(jīng)過(guò)74HC573鎖存。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化程序、CAN接收中斷服務(wù)程序、USART接收中斷服務(wù)程序、主程序及應(yīng)用層通信協(xié)議轉(zhuǎn)換程序等。

初始化程序用于設(shè)置CAN模塊的通信波特率、工作方式、發(fā)送的優(yōu)先級(jí)、接收郵箱和發(fā)送郵箱及對(duì)應(yīng)的接收過(guò)濾器和接收屏蔽器等。其初始化程序流程圖如圖3所示。



CAN接收中斷服務(wù)程序主要用來(lái)接收CAN總線傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)幀，并對(duì)其進(jìn)行幀校驗(yàn)，如果出錯(cuò)則要求重發(fā)，若數(shù)據(jù)幀正確接收，則將完整的數(shù)據(jù)幀存人到提前開(kāi)辟的環(huán)形緩沖器中，為后面的數(shù)據(jù)處理和協(xié)議轉(zhuǎn)換做好準(zhǔn)備。其CAN接收中斷服務(wù)程序流程圖如圖4所示。



USART接收中斷服務(wù)程序主要用于接收來(lái)自RS-485總線的串行數(shù)據(jù)，并將完整的數(shù)據(jù)幀傳送到另外一個(gè)環(huán)形緩沖器。其流程圖和設(shè)計(jì)思想與CAN接收中斷程序類似，不再例舉。

協(xié)議轉(zhuǎn)換程序需要參照現(xiàn)場(chǎng)RS-485系統(tǒng)原有的協(xié)議，然后由用戶通過(guò)配套軟件對(duì)通信幀的格式進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。進(jìn)行配置時(shí)，PC機(jī)必須通過(guò)RS-485接口來(lái)訪問(wèn)RS-485／CAN智能轉(zhuǎn)換器，通常PC機(jī)的RS-232接口使用RS-232／RS-485轉(zhuǎn)換器。成功設(shè)置后，就可以實(shí)現(xiàn)RS-485與CAN通信幀格式的相互轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)的主程序部分的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，主要為調(diào)用初始化程序，掃描發(fā)送緩沖器是否為空，不空則在空閑時(shí)根據(jù)其優(yōu)先級(jí)將CAN通信幀或RS-485串行通信幀發(fā)送出去，并不斷掃描，等待中斷的產(chǎn)生。

3結(jié)束語(yǔ)

利用CAN485智能轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)RS-485網(wǎng)絡(luò)與CAN網(wǎng)絡(luò)的互連，且智能轉(zhuǎn)換器的通信波特率可調(diào)，工作模式也可控制，對(duì)于不同協(xié)議的RS-485網(wǎng)絡(luò)，只需通過(guò)軟件對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行相應(yīng)的初始化設(shè)置，而不必對(duì)硬件進(jìn)行改動(dòng)，因此可以滿足絕大多數(shù)場(chǎng)合的使用要求。但是該方案不能充分體現(xiàn)CAN系統(tǒng)的優(yōu)越性，僅適合新系統(tǒng)與舊系統(tǒng)并存、整體性能要求不太高的場(chǎng)所。因此，用CAN總線取代RS-485總線將是大勢(shì)所趨。