基于PIC18單片機的RS-485/CAN智能轉(zhuǎn)換器的設(shè)計策

基于PIC18單片機的RS-485/CAN智能轉(zhuǎn)換器的設(shè)計策略

?????? RS-485是一個電氣接口規(guī)范，它定義了一個基于單對平衡線的多點、雙向(半雙工)通信鏈路，只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議，在當(dāng)時看來是一種相對經(jīng)濟具有相當(dāng)高噪聲抑制相對高的傳輸速率傳輸距離遠和寬共模范圍的通信平臺，因此基于RS-485總線的通訊方法得到了廣泛的應(yīng)用。
由于RS-485總線本身存在的許多局限性，隨著科技的發(fā)展RS-485的總線效率低，系統(tǒng)的實時性差、通訊的可靠性低、后期維護成本高、網(wǎng)絡(luò)工程調(diào)試復(fù)雜、傳輸距離不理想、單總線可掛接的節(jié)點少、應(yīng)用不靈活等缺點慢慢的暴露出來。雖歷經(jīng)多次改進但均是治標(biāo)不治本。
??? CAN-bus是一種多主方式的串行通訊總線。具有較高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出通信過程中發(fā)生的任何錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達到10 km 時CAN-bus仍可提供高達5 kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。他在通信能力、可靠性、實時性、靈活性、易用性、傳輸距離、成本等方面有著明顯的優(yōu)勢，從而成為了業(yè)界最有前途的現(xiàn)場總線之一。
??? 基于RS-485網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)場的廣泛應(yīng)用，完全放棄RS-485網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是不現(xiàn)實的。但可以考慮一種折衷的辦法，就是在保留現(xiàn)有RS-485系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上給系統(tǒng)添加一個CAN-bus接口，RS-485/CAN智能轉(zhuǎn)換器的設(shè)計就具有了現(xiàn)實的意義。他可以實現(xiàn)RS-485網(wǎng)絡(luò)與CAN網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

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2 轉(zhuǎn)換器設(shè)計
轉(zhuǎn)換器設(shè)計的原理框圖如圖2所示：
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??? 在該設(shè)計中采用了帶CAN控制器的PIC18F258芯片，其特點如表1所示。與傳統(tǒng)的MCU再加上獨立的CAN控制器的設(shè)計方法相比，可以使設(shè)計大大簡化，同時也增加了系統(tǒng)的可靠性。

表1 PIC18F258單片機的性能參數(shù) 名稱 特性
高性能RISC CPU 2MB的程序存儲器。4kB的數(shù)據(jù)RAM。16位寬指令，
高達10 MIPS的執(zhí)行速度。8×8單周期硬件乘法器
豐富的外圍功能模塊 4個內(nèi)部定時器，PWM/CCP模塊，USART模塊，
10位8通道A/D。CAN 總線模塊，異步串行通信SPI方式，I2C模式
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特殊的單片機特性 SLEEP方式，帶有片內(nèi)RC振蕩器的監(jiān)視定時器(WDT)，
可編程代碼保護功能，通過兩個引腳可進行在線串行編程(ICSP)
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FLASH 技術(shù)? 低功耗，高速增強型FLASH 技術(shù)

2.1 硬件電路設(shè)計
??? 硬件電路原理圖如圖3所示，包括MCU，總線驅(qū)動模塊，光電隔離，DC-DC隔離電源模塊等。
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??? RS485總線驅(qū)動模塊采用MAX487，MAX487工作于半雙工模式，內(nèi)部包含一個發(fā)送器和一個接收器，在工作時需要通過使能端來控制“收”和“發(fā)”，將其使能端RE和DE連接到一起，然后接到PIC單片機的RC4，在軟件中通過對RC4的置位和復(fù)位來控制MAX487的收和發(fā)。
??? RS-485標(biāo)準(zhǔn)采用差分傳輸，本身已具有一定的抗干擾能力，在其傳輸通道的兩端分別加上一個6N137芯片，可以進一步增強轉(zhuǎn)換器的抗干擾能力?？梢员苊庥蓚鬏攩栴}而引起的死機現(xiàn)象。
??? CAN總線驅(qū)動模塊采用PCA82C250，接口電路比較簡單。同樣也在其傳輸通道加上兩個高速光耦6N137，實現(xiàn)總線和轉(zhuǎn)換器的電氣隔離。
??? 在硬件設(shè)計中需要特別注意電源部分的設(shè)計，因為光耦隔離兩側(cè)必須采用獨立的電源供電，否則將不能起到隔離的作用。轉(zhuǎn)換器在現(xiàn)場應(yīng)用的時候不是采用電池供電，而是采用現(xiàn)場CAN總線的電源來供電，而這個電源是不穩(wěn)定的電源，而且存在很多干擾量，不能直接應(yīng)用到轉(zhuǎn)換器當(dāng)中，必須經(jīng)過隔離，濾波以及穩(wěn)壓處理。

??? 在轉(zhuǎn)換器中所需電源均為+5 V 的直流電源，共需要3個獨立的+5 V電源，分別為MCU 的電源VCC1，CAN接口芯片一側(cè)所用電源VCC2。RS-485接口芯片一側(cè)所用電源VCC3。因此可以考慮使用1個輸入3個輸出的DC/DC模塊，實際當(dāng)中沒有找到現(xiàn)成的3輸出的DC/DC模塊。因此設(shè)計中采用金升陽公司的B系列和D系列的DC/DC 模塊， 一輸入兩輸出的D050505N-1 W ，再加上一個單輸出的B0505D-1 W。DC/DC兩側(cè)的電感和電容構(gòu)成濾波和穩(wěn)壓電路，其大小值均為典型值。最后構(gòu)成如下圖所示的轉(zhuǎn)換器的電源模塊。
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??? 另外，3組電源不能共地。GND1，GND2，GND3必須相互獨立。否則光耦不能起到隔離的作用。

2.2 軟件設(shè)計
??? 軟件設(shè)計通過Microchip的開發(fā)工具Mplab用匯編語言編制，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。應(yīng)用層通信協(xié)議轉(zhuǎn)換程序等。
??? 初始化程序用于設(shè)置CAN模塊的通信波特率，工作方式，接收郵箱和發(fā)送郵箱，對應(yīng)的接收過濾器和接收屏蔽器，以及發(fā)送的優(yōu)先級等。其流程圖如圖5所示。

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圖5 初始化程序
???? CAN接收中斷服務(wù)程序主要用來接收CAN 總線傳輸過來的數(shù)據(jù)幀，并進行幀校驗，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)幀存入到提前開辟的環(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(zhǔn)備。其流程簡圖如圖6所示。
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圖6 CAN接收中斷服務(wù)程序
??? USART接收中斷服務(wù)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(shè)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(yīng)的設(shè)置。進行配置時PC 機必須通過RS-485接口訪問RS-485/CAN智能轉(zhuǎn)換器，通常PC機的RS-232接口必須使用RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器。設(shè)置成功后，就可以實現(xiàn)RS-485與CAN通信幀格式的相互轉(zhuǎn)換。
??? 主程序部分比較簡單。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。然后不斷掃描，等待中斷的產(chǎn)生。

3 結(jié)語
??? 利用RS-485/CAN 智能轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了RS-485網(wǎng)絡(luò)與CAN網(wǎng)絡(luò)的互連，而且智能轉(zhuǎn)換器的通信波特率可調(diào)，工作模式可以控制，對于不同協(xié)議的RS-485網(wǎng)絡(luò)，只需通過軟件對轉(zhuǎn)換器進行相應(yīng)的初始化設(shè)置即可，而不必對硬件進行改動?？梢詽M足絕大多數(shù)場合的使用要求。但是這種利用RS-485/CAN智能轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)RS-485網(wǎng)絡(luò)和CAN網(wǎng)絡(luò)互連的方案只是一種過渡性的方案，互連后整個系統(tǒng)的性能要受限于RS-485網(wǎng)絡(luò)，不能充分體現(xiàn)CAN系統(tǒng)的優(yōu)越性。該方案僅適合新系統(tǒng)與舊系統(tǒng)并存，整體性能要求不太高，新舊系統(tǒng)運行機制差別不大的地方。