1．RS485及CAN總線簡介
RS485是工業(yè)控制領域中一種傳統(tǒng)的總線技術。然而，隨著工業(yè)控制的復雜度提高，RS485總線在系統(tǒng)容量，通訊距離，不能支持多主結構等方面的缺陷開始逐漸顯現(xiàn)。
CAN總線是從20時紀80年代初發(fā)展起來的一種新型現(xiàn)場總線技術，它的總線長度最遠可達10千米（速率5Kbps以下），數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達1Mbps（通訊距離40米以內）。它在多主方式下工作，不分主從；節(jié)點數(shù)的數(shù)目主要取決于總線驅動電路，目前可達110個。采用非破壞總線仲裁技術，即使網(wǎng)絡負載很重也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡癱瘓現(xiàn)象。此外，CAN的每幀信息都有CRC校驗和其它檢錯措施，有很好的檢錯效果[1]。
由于CAN總線具備以上優(yōu)點，它目前已經被廣泛應用到汽車電子、電力系統(tǒng)、航空工業(yè)和自動工作等領域中，并形成了國際標準，被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一[2]。
然而，由于RS485和CAN總線的電壓不兼容，幀格式也不相同，因此，大量現(xiàn)有的RS485總線設備若要在CAN總線上使用，就必須使用RS485-CAN總線轉換器。
2．系統(tǒng)硬件設計
2.1 系統(tǒng)硬件原理框圖
圖1 ：RS485-CAN總線轉換器原理框圖
RS485-CAN總線轉換器由微控制器、CAN總線控制器、CAN總線收發(fā)器、UART控制器、RS485總線收發(fā)器組成，其原理框圖如圖1所示。
微處理器通過對CAN控制器和UART控制器的操作，經過CAN總線收發(fā)器和RS485總線收發(fā)器的電平轉換，分別實現(xiàn)了在CAN總線上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)以及對RS485設備上數(shù)據(jù)的讀寫。
當要向RS485設備寫數(shù)據(jù)時，就將要寫的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。通過CAN總線收發(fā)器的電平轉換之后，CAN控制器將收到一幀CAN數(shù)據(jù)，當確認這幀數(shù)據(jù)是發(fā)往本節(jié)點時，微控制器就將數(shù)據(jù)發(fā)送到UART控制器上，通過RS485總線收發(fā)器傳送到RS485設備上。
RS485設備發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)將通過RS485和UART控制器傳送到微處理器上。微處理器就將這個數(shù)據(jù)通過CAN控制器和CAN總線收發(fā)器發(fā)送到CAN總線上，讓其它節(jié)點接收。
2.2 系統(tǒng)電路設計
本文介紹的RS485-CAN總線轉換器選用飛利浦公司的LPC2119作為系統(tǒng)的微控制器。LPC2119是一款集成有CAN和UART控制器的ARM7核的工業(yè)級單片機。具有低功耗和穩(wěn)定可靠的特點[3]。由于LPC2119本身集成了CAN和UART控制器，因此只需再增加一塊CAN總線收發(fā)芯片和一塊RS485總線收發(fā)芯片，以及一些外圍器件即可完成系統(tǒng)的電路搭建。
CAN總線收發(fā)器選用TJA1050，該芯片是飛利浦公司生產的、用來替代82C250的高速CAN總線收發(fā)器。除了保留82C250的主要特性外，由于TJA1050采用了先進的SOI（silicon on insulator）技術，因此抗電磁干擾性能得到大幅提高。[4]
RS485總線收發(fā)器選用了Sipex公司的SP485E，該芯片是一半雙工收發(fā)器，具有增強型ESD性能，可承受15kV的人體放電模式和接觸放電模式。系統(tǒng)電路圖如圖2所示：
圖2： 系統(tǒng)電路圖
圖3： 微控制器初始化流程圖
圖中，TD1和RD1分別為LPC2119內建CAN控制器的發(fā)送和接收引腳，TXD0和RXD0分別為LPC2119內建UART控制器的發(fā)送和接收引腳。TJA1050的S引腳是靜音模式選擇引腳。S引腳高電平時，TJA1050進入靜音模式，發(fā)送器完全禁能，執(zhí)行只聽功能。SP485E的/RE引腳和DE引腳分別是接收使能和發(fā)送使能，一個是低電平起效，一個是高電平起效。由于SP485E是一半雙工的收發(fā)器，因此可以把/RE引腳和DE接在一起，由微控制器的一個IO來控制SP485E是處于接收狀態(tài)還是發(fā)送狀態(tài)。
3．系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)的軟件設計主要包括三大部分：系統(tǒng)初始化程序、RS485設備數(shù)據(jù)發(fā)送中斷程序，RS485設備數(shù)據(jù)接收中斷程序。
3.1 系統(tǒng)初始化程序
系統(tǒng)的初始化包括微控制器的初始化、UART控制器初始化和CAN控制器初始化。微控制器初始化的流程可見圖3(源代碼略)。
然后是UART控制器和CAN控制器的初始化。下面給出這部分的源代碼：
/* UART0初始化 */
uint8 UART0Init(uint32 bps)
{
uint16 Fdiv;
PINSEL0 = (PINSEL0 & 0xfffffff0) | 0x05; // 選擇管腳為UART0
U0LCR = 0x80; // 允許訪問分頻因子寄存器
Fdiv = (Fpclk / 16) / bps; // 設置波特率
U0DLM = Fdiv / 256;
U0DLL = Fdiv % 256;
U0LCR = 0x07; // 禁止訪問分頻因子寄存器
U0IER = 0x05; // 允許接收和發(fā)送中斷
U0FCR = 0x87; // 初始化FIFO
}
/* CAN初始化 */
void InitCAN(eCANNUM CanNum)
{
HwEnCAN(CanNum); //硬件使能CAN控制器
while (SoftRstCAN(CanNum)); //軟件復位CAN控制器
while (SetErWarmVal (CanNum,USE_EWL_CAN[CanNum])); //設置錯誤警告寄存器
while (SetCANBaudRate (CanNum,USE_BTR_CAN[CanNum])); //初始化波特率
VICDefVectAddr =(INT32U)CANIntPrg; //初始化中斷
VICIntEnable |=(1<<19)|(1<<(20+ CanNum))|(1<<(26+ CanNum));
CANIER(CanNum).Word= USE_INT_CAN[CanNum]; while (SetTPMMOD(CanNum,USE_TPM_CAN[CanNum]));//設置發(fā)送優(yōu)先模式寄存器
while (SetLOMMOD(CanNum,USE_LOM_CAN[CanNum]));//設置只聽模式寄存器
CANRcvCyBufApp[CanNum].FullFlag = 0; //初始化接收環(huán)形緩沖區(qū)
CANRcvCyBufApp[CanNum].ReadPoint = 0;
CANRcvCyBufApp[CanNum].WritePoint = 0;
SoftEnCAN(CanNum); //軟件啟動CAN
}
3.2 RS485-CAN總線轉換器數(shù)據(jù)轉換原理
CAN的幀格式中，有一個標識符域。CAN控制器的全局濾波器會檢測這個標識域，決定是否接收本幀數(shù)據(jù)。由于RS485網(wǎng)絡上，所有節(jié)點都會同時收到數(shù)據(jù)，因此可以為所有的RS485從設備設定同一個標識符。一個CAN節(jié)點若要發(fā)送數(shù)據(jù)給RS485設備，只需在該幀把標識符域設定為相應的標識符即可。
RS485本質上僅僅是一個物理層標準，以字節(jié)為單位進行數(shù)據(jù)通訊，其幀格式完全由用戶自己定義。然而最終，在RS485總線中最終信息的傳輸還是以幀為單位，其中包含了地址信息。RS485設備會自動根據(jù)接收到的幀，自動判斷該幀是否發(fā)往本節(jié)點，然后做出相應處理。因此，在RS485設備要發(fā)送數(shù)據(jù)時，RS485-CAN總線轉換器只需把RS485總線的數(shù)據(jù)幀打包入CAN的數(shù)據(jù)幀中，然后發(fā)送到CAN網(wǎng)絡上；而RS485設備在接收數(shù)據(jù)時，RS485-CAN總線轉換器則把RS485總線的數(shù)據(jù)幀從接收到的CAN數(shù)據(jù)幀中提取出來，發(fā)往RS485設備即可。
3.3 RS485設備數(shù)據(jù)接收中斷程序
當RS485-CAN總線轉換器收到CAN網(wǎng)絡上發(fā)往RS485設備的數(shù)據(jù)幀時，即會觸發(fā)CAN中斷，進入數(shù)據(jù)接收中斷服務程序，其流程圖如圖4（源程序略）：
3.4 RS485設備數(shù)據(jù)發(fā)送中斷程序
當RS485-CAN總線轉換器串口收到RS485設備發(fā)送的數(shù)據(jù)，即會觸發(fā)串口中斷，進入RS485設備數(shù)據(jù)發(fā)送中斷程序。其流程圖如圖5（源程序略）：
圖4： 數(shù)據(jù)接收中斷程序流程圖
圖5： 數(shù)據(jù)發(fā)送中斷程序流程圖
4．結束語
本文設計的RS485-CAN總線轉換器的電路簡單可靠，操作方便。通過它，任何RS485設備都可以無需做任何修改就可以直接放到CAN網(wǎng)絡中使用。在總線轉換器的軟件設計中一般應該遵守的一條原則是：不要將其功能設計的過于復雜。因為它的主要任務是將數(shù)據(jù)以最快的速度轉發(fā)。至于流量和差錯控制應由通信雙方的應用層來完成。而本總線轉換器的軟件設計，很好地達到了這一要求。
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