RS485-CAN 转换器的设计

  1 RS485 及CAN 总线 是一种平衡传输方式的串行接口标准,采用半双工异步数据通信方式。igbt 单管模块基于在RS485 总线上只能有一个主机的特点,它往往应用在集中控制枢纽和分散控制单元之间。同时RS485 的总线效率低,系统的实时性差,通信的可靠性低,后期维护成本高,网络工程调试复杂,传输距离不理想,单总线可挂接的节点少等缺点也局限了其应用。

  CAN(Controller Area Network,控制器局域网)现场总线是一种由带CAN 控制器组成的高性能串行数据局域通信网络,是国际上应用最广泛的现场总线之一。它的总线Kbps 以下),数据传输速率最高可达1Mbps(通讯距离40 米以内)。它在多主方式下工作,不分主从。采用非破坏总线仲裁技术,即使网络负载很重也不会出现网络瘫痪现象。此外,CAN 的每帧信息都有CRC 校验和其它检错措施,有很好的检错效果。由于CAN 总线具备以上优点,它目前已经被广泛应用到汽车电子、电力系统、航空工业和自动工作等领域中,并形成了国际标准,被公认为几种最有前途的现场总线之一。

  一时间完全放弃RS485网络系统是有困难的,尤其是在已经具有现成的硬件网络中。因此考虑一种折中的方法,就是在保留现有RS485系统硬件结构的基础上,添加一个CAN总线网络与CAN网络的互联。

  RS485-CAN转换器硬件设计框图如图1所示,整个硬件系统分为5个模块:微控制器模块,基本模块,CAN接口模块,RS485模块和储存模块。其中CAN接口模块的CAN控制器的选用要依据微控制器模块,如果选择的微控制器中集成了CAN控制器,则无需外接CAN控制器,否则需要外接CAN控制器。

  这三个模块的设计属于常规设计,因此省去具体的电路图。需要说明的是微控制器可以选择内部集成了CAN 控制器的单片机,但是本设计基于系统成本,性价比以及微控制器的应用普遍性的考虑,使用的是ATMEL 的AT89C52 单片机;基本模块主要是完成微控制器的外围电路设计,主要包括电源和晶振以及复位电路等;储存模块主要是用来储存系统的配置信息,如CAN 波特率,RS485 波特率等,要求的储存空间较小,1K 的片外EEPROM 足够使用,当然也可以选择自带EEPROM 的微处理器。

  CAN 接口模块包括总线控制器和收发器两部分。CAN 总线,它是Philips 公司推出的一款完全符合CAN 总线协议规定的CAN 控制器,可完成报文控制,数据滤波等CAN 控制器功能,SJA1000 不仅兼容PCA82C200 支持的BasicCAN(CANBUS2.0A)模式,还支持功能更强的PeliCAN(CANBUS 2.0B)模式;收发器选择的是TJA1050,它是CAN 协议控制器和物理总线的接口,是一种标准的高速CAN 收发器。

  如图2所示SJA1000的AD0-AD7与单片机的数据总线的片选使能端,由ALE,WR,RD控制SJA1000的数据的发送和接收。11脚MODE接高电平,选用51系列的8位微控制器的Intel二分频模式。16脚是中断信号,接单片机的外部中断引脚。TX1脚悬空,RX1脚的电位必须维持在0.5VCC以上,否则将不能形成CAN总线所要求的电平逻辑。

  高速光耦6N137提高了总线节点的抗干扰能力,TVS能避免数据受到不必要的外界影响并能保护元器件;另外在总线欧姆的匹配电阻会使数据通信的抗干扰性以及可靠性大大加强,CANH和CANL与地之间并联两个30PF的小电容,可以滤除总线上的高频干扰并且具有一定的防电磁辐射的能力。这些额外的保护电路同样适合RS485模块的设计。

  RS485 接口模块采用MAX485 芯片作为总线V 低功耗半双工器件。MAX485 的驱动器输出是差分输出,完全满足RS485 串行协议的要求,igbt 单管模块兼容工业标准规范,符合RS485 串行协议的电气规范。电路连接如图3。

  本系统的软件设计除了实现单个模块的驱动程序以外,最主要的就是实现两种网络间不同协议的转换。CAN协议参考模型中定义了物理层和数据链路层,RS485协议参考模型中只定义了物理层。因此建立图4所示的协议模型。

  CAN的帧格式中,有一个标识符域,CAN控制器的全局滤波器会检测这个标识域,决定是否接收本帧数据。由于RS485网络上,所有节点都会同时收到数据,因此可以为所有的RS485从设备设定同一个标识符。一个CAN节点若要发送数据给RS485设备,只需在该帧把标识符域设定为相应的标识符即可;RS485本质上仅仅是一个物理层标准,其帧格式完全由用户自己定义。最终在RS485总线中传输还是以帧为单位,其中包含了地址信息。RS485设备会自动根据接收到的帧,自动判断该帧是否发往本节点,然后做出相应处理。因此,在RS485设备要发送数据时,RS485-CAN总线总线的数据进行帧打包后送入CAN的数据帧中,然后发送到CAN网络上;而RS485设备在接收数据时,RS485-CAN总线总线的数据帧从接收到的CAN数据帧中提取出来,发往RS485设备即可。

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