基于PIC18單片機的CAN RS485轉(zhuǎn)換器的設計

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，即同一時刻總線上只能有一個節(jié)點成為主節(jié)點而處于發(fā)送狀態(tài)，其它所有節(jié)點必須處于接收狀態(tài)。如果同一時刻有兩個以上的節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)，將導致所有發(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題，RS-485總線必須具備：

①以工作模式來說，一般的RS-485總線工作在主從模式下；

②從通信節(jié)點來講，RS-485總線上的節(jié)點必須具備可以將自己的驅(qū)動器切換到高阻態(tài)的功能。

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

控制器局域網(wǎng)CAN-bus (Controller Area Network)是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初CAN-bus被設計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，意在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，從而形成汽車電子控制網(wǎng)絡。如今，作為一種技術先進、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網(wǎng)絡通訊控制方式，CAN-bus已被廣泛應用到各個自動化控制系統(tǒng)中。而且它在通信能力、可靠性、實時性、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，因而用CAN總線取代RS-485總線將是大勢所趨。

基于RS-485網(wǎng)絡在現(xiàn)場的廣泛應用，目前完全放棄RS-485網(wǎng)絡系統(tǒng)是不現(xiàn)實的。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)構的基礎上添加一個CAN-bus接口，本設計的CAN485智能轉(zhuǎn)換器就具有這樣的現(xiàn)實意義。它可以實現(xiàn)RS-485網(wǎng)絡與CAN網(wǎng)絡的互聯(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，本設計采用PIC18F258單片機為核心，該單片機自帶CAN收發(fā)接口，因此可簡化硬件設計，提高運行效率。PIC18F258的主要特征如下：

◇通過ISO CAN標準測試；

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

◇標準和擴展數(shù)據(jù)模式；

◇0-8位數(shù)據(jù)長度；

◇可編程速率高達1 Mbps；

◇2個數(shù)據(jù)接收緩沖器；

◇6個完全接收濾波器，2個對應高優(yōu)先權緩沖器，4個對應低優(yōu)先權緩沖器；

◇2個完全接收掩碼器；

◇3個具有優(yōu)先權的發(fā)送緩沖器。



由于單片機的輸出電流比較弱，難以驅(qū)動光電隔離器，為保險起見，信號輸入光耦前要經(jīng)過74HC573鎖存；同樣為了增加信號驅(qū)動能力，經(jīng)過隔離的信號要再次經(jīng)過74HC573鎖存。

2 軟件設計

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

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



CAN接收中斷服務程序主要用來接收CAN總線傳輸過來的數(shù)據(jù)幀，并對其進行幀校驗，如果出錯則要求重發(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)換做好準備。其CAN接收中斷服務程序流程圖如圖4所示。



USART接收中斷服務程序主要用于接收來自RS-485總線的串行數(shù)據(jù)，并將完整的數(shù)據(jù)幀傳送到另外一個環(huán)形緩沖器。其流程圖和設計思想與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RS-485系統(tǒng)原有的協(xié)議，然后由用戶通過配套軟件對通信幀的格式進行相應的設置。進行配置時，PC機必須通過RS-485接口來訪問RS-485／CAN智能轉(zhuǎn)換器，通常PC機的RS-232接口使用RS-232／RS-485轉(zhuǎn)換器。成功設置后，就可以實現(xiàn)RS-485與CAN通信幀格式的相互轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)的主程序部分的設計比較簡單，主要為調(diào)用初始化程序，掃描發(fā)送緩沖器是否為空，不空則在空閑時根據(jù)其優(yōu)先級將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

利用CAN485智能轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)RS-485網(wǎng)絡與CAN網(wǎng)絡的互連，且智能轉(zhuǎn)換器的通信波特率可調(diào)，工作模式也可控制，對于不同協(xié)議的RS-485網(wǎng)絡，只需通過軟件對轉(zhuǎn)換器進行相應的初始化設置，而不必對硬件進行改動，因此可以滿足絕大多數(shù)場合的使用要求。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所。因此，用CAN總線取代RS-485總線將是大勢所趨。