基于AT89C55單片機和PCA82C250實現(xiàn)分布式通信網(wǎng)絡的設計

1 概述

用于多機間數(shù)據(jù)通信的通信物理層接口是分布式測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享的工作基礎，傳統(tǒng)的以單片機為核心的分布式多機測控系統(tǒng)為簡化通信物理層大多采用電流環(huán)或RS-485/RS-422總線。

電流環(huán)形式因較RS-485/RS-422總線形式連線復雜等原因已基本退出歷史舞臺。而RS-485總線接線形式較RS-422總線接線形式少了二極通信線且抗干擾能力增強，從而使接線形式更為簡單、造價更低，因此，RS-485總線基本上獨霸了以單片機為核心的分布式多機測控系統(tǒng)通信物理層的應用。但隨著科技的發(fā)展，RS-485總線的總線效率低、系統(tǒng)實時性差、通訊可靠性低、后期維護成本高、網(wǎng)絡工程調(diào)試復雜、傳輸距離不理想、單總線可掛接節(jié)點少、應用不靈活等缺點慢慢地暴露出來，因此，迫切需要尋找一種新型、簡單有效的通信物理層接口芯片來替代RS-485總線物理層接口電路進行網(wǎng)絡通信，這對提高多機互連的分布式測控系統(tǒng)的可靠性具有重大意義。

與其他現(xiàn)場總線相比，CAN部遲疑不決在通信能力、可靠性、實時性、靈活性、易用性、傳輸距離和成本等方面有著明顯的優(yōu)勢，成為控制等領域最有前途的現(xiàn)場總線之一。對于CAN總線的物理層接口，現(xiàn)有大多是CAN總線物理層接口電路與CAN總線控制器連接構成的CAN總線通信網(wǎng)絡。經(jīng)筆者的深入分析和實踐證明：CAN總線物理層接口電路（符合ISO11898標準）也可與單片機直接連接構成一個高可靠、低成本、簡單實用、多機互連的分布式測控系統(tǒng)。

2 CAN與RS-485物理層特性比較

CAN總線在物理層個有專用接口電路，該類接口電路具有特色。CAN總線與RS-485總線物理層特性的相同點有：

CAN總線與RS-485總線相比，CAN總線通信物理層接口電路（以PCA82C250為例）具有如下優(yōu)點：

由此可見，采用CAN總線的物理層專用接口電路替代RS-485總線接口電路形成一個混合模式的多機互連分布式測控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡，可以克服RS-485總線的固有缺陷，充分利用CAN總線物理層的優(yōu)勢，能以簡單的形式、較低的價格、較高的性能構造出極具競爭力的分布式測控系統(tǒng)。

3 PCA82C250簡介

完全符合ISO11898國際標準的CAN總線物理層專用接口電路有多種，這里僅以CAN總線通用接口電路PCA82C250為例對這類接口芯片作以說明。PCA82C250的引腳圖如圖1所示。各功能引腳如下：

PCA82C250可以提供對總線數(shù)據(jù)的差動發(fā)送能力和對通信總線數(shù)據(jù)的差動接收能力。其引腳8較為特殊，該引腳用于選擇電路自身的工作方式；高速、斜率控制和待機。該腳接地時，PCA82C250工作于高速通信方式；接一個一定阻值的電阻器后再接地，用于控制發(fā)送數(shù)據(jù)脈沖的上升和下降斜率（斜率正比于引腳8上的電流值），用以減少射頻干擾；該腳接高電平時，電路進入低電流待機狀態(tài)。在這種方式下，發(fā)送器被關閉，接收器轉至低電流工作，但接收器仍可對CAN總線上的“顯性”位做出。如果PCA82C250處于通信總線的網(wǎng)絡終端，在總線上需要加一個120Ω左右的匹配電阻。

4 應用實例

以Atmal AT89C55型單片機為例，AT89C55與RS-485總線接口電路及AT89C55與CAN總線物理層專用接口電路的對比連接圖如圖2所示。

由圖2的對比中可以看出，PCA82C250與AT89C55的硬件連接比MAX485與AT89C55的硬件連接還要簡單，因為，PCA82C250的通信過程無需接收與發(fā)送的硬件轉換控制，僅由軟件來控制接浮時，CAN總線表現(xiàn)為“隱性”位數(shù)值，即CANH和CANL為懸浮態(tài)（VCAHN≈CANL≈VCC/2，相當于關閉總線），這為具有“休眠”功能的系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡安全保障；當TXD端輸入為低電平時，CAN總線表現(xiàn)為“顯性”位數(shù)值（向總線傳送有效數(shù)據(jù)位），即CANH輸出高電壓（約3.5V，當VCC為5V時）、CANL輸出低電平（約1.5V，當Vcc為5V時）。顯然，在多主機條件下，“顯性”位和“隱性”位的引入，可在總線上實現(xiàn)非破壞性總線仲裁，以裁決哪一個主設備應是下一個占有總線的設備。由于沒有用到PCA82C250參考電壓的輸出值，因此，PCA82C250的5腳可懸空，而8腳所接的電阻RS用于控制CAN總線的輸出脈沖的上升、下降沿的斜率，以降低總線的射頻干擾。當RS上的電阻大于0.75CC時，PCA82C250芯片進入低功耗待機狀態(tài)；當RS上的電壓小于0.3Vcc時，PCA82C250進入高速通信狀態(tài)；當RS上的電壓處于0.4Vcc至0.6Vcc之間時，PCA82C250進入CAN總線輸出脈沖上升、下降沿的斜率控制通信狀態(tài)，其斜率大小與RS上的電壓成正比。

圖2中，二個通信系統(tǒng)的軟件幾乎相同。當采用PCA82C250的作為總線接口替代原有的MAX485時，在軟件上所做的變更有：首先，可取消RS-485總線的通信方向控制指令部分，因為CA7402097N總線接口已不需要此功能；其次，RS-485總線在總線發(fā)送時，由于發(fā)送、接收控制端已連接在一起，即自動關閉了總線數(shù)據(jù)接收功能，而CAN總線接口在總線數(shù)據(jù)發(fā)送的同時也在進行總線數(shù)據(jù)的接收（CAN總線接口不提供通信接收、發(fā)送數(shù)據(jù)的分離控制功能），因此，在軟件設計上對此應有所考慮。當然，這為多機通信系統(tǒng)中的總線數(shù)據(jù)沖突的軟件識別與仲裁提供了條件。

當需要MCU與通信網(wǎng)絡之間的電氣隔離時，可在MCU與CAN總線的物理層專用接口電路之間增加2個光電隔離器件（如6N137光電隔離電路），即可實現(xiàn)MCU與通信網(wǎng)絡之間的電氣隔離。

5 結論

經(jīng)實際應用系統(tǒng)的檢驗證明，采用CAN總線的物理層專用接口電路（如PCA82C250等）替代RS-485總線專用接口電路來形成一個混合模式的多機互連的分布式測控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡，可以很大程度上克服RS-485總線的固有缺陷，而且在軟件上僅做少許修改，甚至不修改原有的RS-485總線的通信軟件就能適應新的系統(tǒng)工作。必要時通過修改原有的RS-485總線的通信軟件即可實現(xiàn)多主式多機數(shù)據(jù)通信，充分利用了CAN總線物理層的優(yōu)勢。在硬件方面，能夠以簡單的形式、較低的價格、較高的性能構造出極具競爭力的分布式測控系統(tǒng)，使多機互連的分布式測控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡性能得以提升，保證在惡劣工況條件下通信系統(tǒng)的安全、可靠工作。

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