基于PIC18單片機的CAN RS485轉換器的設計

基于PIC18單片機的CAN RS485轉換器的設計

RS-485總線(xiàn)以雙絞線(xiàn)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(xiàn)上只能有一個(gè)節點(diǎn)成為主節點(diǎn)而處于發(fā)送狀態(tài)，其它所有節點(diǎn)必須處于接收狀態(tài)。如果同一時(shí)刻有兩個(gè)以上的節點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，將導致所有發(fā)送方的數據發(fā)送失敗，即總線(xiàn)沖突。

為了避免這種總線(xiàn)沖突問(wèn)題，RS-485總線(xiàn)必須具備：

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

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

以上是為適應RS-485總線(xiàn)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(xiàn)工作方式在很多對實(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，對驅動(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，還需要考慮復雜的故障保護等問(wèn)題，否則將容易引起總線(xiàn)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場(chǎng)總線(xiàn)之一。最初CAN-bus被設計作為汽車(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、成本合理的遠程網(wǎng)絡(luò )通訊控制方式，CAN-bus已被廣泛應用到各個(gè)自動(dòng)化控制系統中。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(xiàn)有著(zhù)明顯的優(yōu)勢，因而用CAN總線(xiàn)取代RS-485總線(xiàn)將是大勢所趨。

基于RS-485網(wǎng)絡(luò )在現場(chǎng)的廣泛應用，目前完全放棄RS-485網(wǎng)絡(luò )系統是不現實(shí)的。但可以考慮一種折衷的辦法．就是在系統保留現有RS-485系統硬件結構的基礎上添加一個(gè)CAN-bus接口，本設計的CAN485智能轉換器就具有這樣的現實(shí)意義。它可以實(shí)現RS-485網(wǎng)絡(luò )與CAN網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)，其系統原理框圖如圖1所示。



1 CAN-485轉換器原理

圖2所示是一種CAN-485智能轉換器的原理框圖，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(jiǎn)化硬件設計，提高運行效率。PIC18F258的主要特征如下：

◇通過(guò)ISO CAN標準測試；

◇執行CAN協(xié)議：CAN1.2 CAN2.0ACAN2.0B；

◇標準和擴展數據模式；

◇0-8位數據長(cháng)度；

◇可編程速率高達1 Mbps；

◇2個(gè)數據接收緩沖器；

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

◇2個(gè)完全接收掩碼器；

◇3個(gè)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，難以驅動(dòng)光電隔離器，為保險起見(jiàn)，信號輸入光耦前要經(jīng)過(guò)74HC573鎖存；同樣為了增加信號驅動(dòng)能力，經(jīng)過(guò)隔離的信號要再次經(jīng)過(guò)74HC573鎖存。

2 軟件設計

系統的軟件設計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、主程序及應用層通信協(xié)議轉換程序等。

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(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(xiàn)傳輸過(guò)來(lái)的數據幀，并對其進(jìn)行幀校驗，如果出錯則要求重發(fā)，若數據幀正確接收，則將完整的數據幀存人到提前開(kāi)辟的環(huán)形緩沖器中，為后面的數據處理和協(xié)議轉換做好準備。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(xiàn)的串行數據，并將完整的數據幀傳送到另外一個(gè)環(huán)形緩沖器。其流程圖和設計思想與CAN接收中斷程序類(lèi)似，不再例舉。

協(xié)議轉換程序需要參照現場(chǎng)RS-485系統原有的協(xié)議，然后由用戶(hù)通過(guò)配套軟件對通信幀的格式進(jìn)行相應的設置。進(jìn)行配置時(shí)，PC機必須通過(guò)RS-485接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)RS-485／CAN智能轉換器，通常PC機的RS-232接口使用RS-232／RS-485轉換器。成功設置后，就可以實(shí)現RS-485與CAN通信幀格式的相互轉換。

本系統的主程序部分的設計比較簡(jiǎn)單，主要為調用初始化程序，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結束語(yǔ)

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