一、概述

隨著計算機在工業控制的廣泛應用，控制局域網絡也深入應用到各行各業之中。現行的諸多控制系統，若采用單機控制方式已越來越難以滿足設備控制的要求，因為往往我們所控制的設備只是整個系統的一個基本單元，它既需要外部輸入一些必要的信息，同時也需要向外部輸出自身的運行參數和狀態。所有這些，都要求我們采用控制網絡技術，將眾多設備有機的連成一體，以保證整個系統安全可靠地運行。

實際生產的巨大需求促進了局部總線的發展，同時也帶來了“百花齊放，百家爭鳴”的盛況。從國外到國內的現場通訊網絡較為流行的有：RS-232；RS-422/485；HART；ProfieldBus；Dupline；CAN；Lonworks；FF以及未來極有發展潛力的CEbus。目前我國的實際情況是RS-232/RS-422/RS-485應用最為普及，CAN網的發展速度最快而其它優秀的網絡（如FF，Lonworks）在國內普及尚需時日。現在國內外大部分的網絡終端控制設備帶有RS-232/RS-422/RS-485 或者CAN 接口，為了便于利用這些控制設備進行系統集成，設計一個現場總線適配器將十分必要。

二、功能描述

本通訊適配器包括三個通訊網絡接口分別是RS-232、RS-422/485和CAN接口能夠完成以下功能：

1、RS-232到RS-422/485之間的通訊適配

帶有RS-232接口的主機（如PC操作站、過程站等）或從機（如現場控制單元、智能網絡節點等）可以通過現場總線適配器的RS-422/485接口連入由其構成的局部控制網絡實現RS-422/485網絡數據和命令的傳輸。

2、RS-232到CAN網之間的通訊適配

帶有RS-232接口的主機（如PC操作站、過程站等）或從機（如現場控制單元智能網絡節點等）可以通過現場總線適配器的CAN接口連入CAN網，實現基于CAN網的網絡數據和命令的傳輸。

3、RS-422/485到CAN網之間的通訊適配

該通訊適配器能夠將一個系統中的RS-422/485網絡和CAN網實現相互連接。這樣當源地址在RS-422/485網絡，而目標地址在CAN網時，或者當源地址在CAN網絡，而目標地址在RS-422/485網時，通訊適配器可以完成兩個網絡之間的數據和命令的傳輸。由此解決了系統集成過程中不同網絡終端設備的互連問題，使系統設計具有更寬的選擇范圍達到更先進的水平。

4、相同或不同網絡之間的距離、節點數和分支擴展

由于RS-422/485和CAN網均為總線型網絡，它們的通訊距離、網絡節點數目和網絡分支擴展都有一定程度的限制，采用現場總線適配器后，可以任意擴展和連接，這在組建較為復雜的總線型網絡時十分有用。

5、通過連接外置MODEM，實現網絡數據和命令的更遠距離傳輸

當更遠距離的監控或管理中心，需要遙測或遙控本地網絡（RS-422/485或CAN網）的設備時，該網絡通訊適配器可以采用連接外置MODEM方式，通過電話線或專線，完成本地RS-422/485網絡或CAN網與遠方監控或管理中心的數據和命令的傳輸。

三、硬件設計

我們將網絡適配器按其功能劃分為五個部分，包括網絡適配器的最小系統、RS-232接口、RS-422/485接口、CAN接口和電源等部分。以下是每個部分的具體實現方法及其特點。

1、現場總線適配器的最小系統

現場總線適配器的最小系統包括以下幾個部分（CPU、uP監控復位、RAM和非易失性串行EEPROM）：

ATMEL公司的89C51，它是適配器的信息中央處理單元，在軟件的支持下執行網絡命令、數據的接收、處理并發送出相應的網絡命令和數據，發揮總線適配器在現場局部網絡中的作用。

Maxim公司的MAX824，具有高、低復位電平輸出，集強大功能（上電復位、欠電壓復位、“看門狗”等和微小封裝（SOT23-5）于一身，是uP監控復位電路的理想選擇。

RAM62256（256kbit），用于通訊過程中各網絡的接收和發送緩沖區、網絡節點的接收和發送緩沖區及CPU數據處理緩沖。

EEPROM 93C46（512kbit），用以存放網絡配置，包括網絡種類、各網絡節點數目及地址信息等。

其電路原理圖如圖1所示。

圖1 總線適配器小系統原理圖

2、RS-232接口部分

由于本現場總線適配器包括RS-232和RS-422/485兩個獨立的接口，勢比需要二個異步串行口（UART），而CPU89C51只帶有一個（UART），顯然本系統中需要外擴一個UART。鑒于體積、功耗和性能價格比上的考慮，傳統的UART控制器如8250等已難以滿足要求，令人鼓舞的是Maxim公司推出不久的SPI接口的UART控制器正好滿足要求，其主要性能為：SPI/Microwire兼容的uP接口，8字節接收FIFO，9位地址識別中斷、IrDA SIR時序兼容、RTS輸出和CTS輸入最高波特率230k、工作電壓+2.7V至+5.5V、工作電流僅0.5mA、DIP14或QSOP16封裝。MAX3100優良的性能，更適合在本系統中使用。

RS-232通訊接口部分包括UART控制器和RS-232/TTL電平轉換IC。UART采用了MAX3100，而接口芯片采用了單+5V供電的MAX202（傳統上采用±12 或±15V供電的MC1488和MC1489兩片方案）完成電平的相互轉換。采用上述方案，使我們大大地簡化了電路和電源設計、減小體積、降低功耗和成本。此部分的電路原理如圖2所示。

圖2 RS-232接口電路部分原理圖

3、RS-422/485接口部分

圖3所示的RS-422/485接口部分原理圖是典型的RS-422/485通訊接口電路，即適用于全雙工的RS-422（所有的RS-422/485 選擇開關斷開），也適用于半雙工的RS-485（所有的選擇開關閉合）。89C51提供UART控制器，其中P1.5控制發送使能端Tx-EN。 接口芯片采用的是MAX1482（傳統上采用75174和75175或MC3486和MC3487兩片方案）實現TTL/RS-422電平的相互轉換，除了縮小體積、降低功耗外，還具有最多256個網絡節點的收發能力。

圖3 RS-422/485接口部分原理圖

4、CAN總線接口部分

CAN總線之所以在國內乃至全球范圍內一直保持高速發展，這完全取決于其卓越的性能。最早CAN總線主要應用在汽車領域，隨著集成工藝的發展和成本的降低，被越來越多的控制領域內的軟硬件工程師所接受，廣泛地應用于各行各業的控制局域網中。應該說，FF、Lonworks 或CEbus 與國內的技術狀況和承受能力有一段距離，CAN總線可能更適合我國國情。其主要性能指標為：多主站仲裁結構（分地址優先級，非破壞方式仲裁）；支持主從或廣播方式；不加任何擴展最多110個節點；最高通訊速率1Msps；最遠通訊距離5kM；通常CAN控制器內部設有接收和發送緩沖區，通訊以幀為單位，最多8個字節的數據，硬件自動進行16位CRC校驗，而且具有極強的總線和通訊錯誤的管理能力。

在我們設計的CAN接口電路中采用了PHILIPS公司生產的CAN總線控制器和CAN接口芯片，分別為82C200（引腳兼容的升級版本為SJC1000）和82C250， 圖4為典型的CAN總線接口部分原理圖。由于CAN總線的控制器和接口IC的內容太多，在此不作詳細描述。

圖4 CAN接口部分原理圖

5、電源部分

電源方案采用體積小、重量輕的AC-DC模塊，輸入電壓范圍165-265VAC，輸出兩組電源，分別為VCC，GND（+5V/250mA）和+5V，GND2（+5V/150mA）較簡單地完成電源方案設計。

四、軟件設計

軟件設計采用模塊化結構，依據各個功能部分進行模塊劃分，大致劃分為：總線適配器內部參數初始化；主循環程序；RS-232、RS-422/485和CAN接口初始化；各總線網絡、各網絡節點接收和發送緩沖區初始化；RS-232、RS-422/485和CAN接口對應的中斷服務程序；通訊信息數據包的命令解釋和處理程序；RS-232、RS-422/485和CAN接口對應于通訊信息包的裝載和卸載程序；RS-232、RS-422/485和CAN接口對應的出錯處理程序。

為便于網絡命令和數據處理，本總線適配器采用統一的數據包格式，它們是：源邏輯地址（2字節）、目標邏輯地址（2字節）、命令（1字節）、數據長度（1字節）、數據、數據累加校驗和（2字節）。其中源地址和目標地址定義基本相同，各位定義如下：B15——代表主從方式或廣播方式；B14——代表主機或從機；B13，B12——代表第幾個RS-232網絡區間（1至3，0代表不是該網絡地址，以下定義相同）；B11，B10——代表第幾個RS-422/485 網絡區間；B9，

B8——代表第幾個CAN 網絡區間；B7-B0——對應網絡區間下的物理地址（同一個網絡區間下最多允許256個網絡節點）。限于篇幅，在此不作更詳細的討論。

五、應用實例

在赤峰遠大肉牛加工廠的冷庫計算機分布式控制系統中（LJC-1000）采用了該現場總線適配器，圖5為赤峰遠大肉牛廠冷庫DCS系統的網絡結構圖。在研制DCS系統過程中，充分利用現場網絡終端控制設備在不同控制對象中的性能和成本優勢，較好地解決了將不同終端網絡控制設備連成一個控制系統的難題，使冷庫的整個DCS 控制系統自動化控制和管理達到了國內先進水平。

圖5 赤峰遠大肉牛廠冷庫DCS系統的網絡結構圖

六、結論

實踐證明，本現場總線適配器能夠較好地解決了不同現場總線之間的相互連接的問題。而且隨著RS-422/485和CAN 總線進一步發展，基于這些網絡接口的現場終端設備將更趨多樣化，現在以至將來，在系統集成中必不可少地要使用現場總線適配器。因此此類現場總線適配器包括將來兼容FF、Lonworks和CEbus的總線適配器將具有廣泛的應用前景。

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