基于LPC2119的RS485-CAN總線轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

1．RS485及CAN總線簡(jiǎn)介

RS485是工業(yè)控制領(lǐng)域中一種傳統(tǒng)的總線技術(shù)。然而，隨著工業(yè)控制的復(fù)雜度提高，RS485總線在系統(tǒng)容量，通訊距離，不能支持多主結(jié)構(gòu)等方面的缺陷開始逐漸顯現(xiàn)。

CAN總線是從20時(shí)紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，它的總線長(zhǎng)度最遠(yuǎn)可達(dá)10千米（速率5Kbps以下），數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)1Mbps（通訊距離40米以內(nèi)）。它在多主方式下工作，不分主從；節(jié)點(diǎn)數(shù)的數(shù)目主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)。采用非破壞總線仲裁技術(shù)，即使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓現(xiàn)象。此外，CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)和其它檢錯(cuò)措施，有很好的檢錯(cuò)效果^[1]。

由于CAN總線具備以上優(yōu)點(diǎn)，它目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到汽車電子、電力系統(tǒng)、航空工業(yè)和自動(dòng)工作等領(lǐng)域中，并形成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)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(shè)備若要在CAN總線上使用，就必須使用RS485-CAN總線轉(zhuǎn)換器。

2．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件原理框圖

圖1 ：RS485-CAN總線轉(zhuǎn)換器原理框圖

RS485-CAN總線轉(zhuǎn)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(guò)對(duì)CAN控制器和UART控制器的操作，經(jīng)過(guò)CAN總線收發(fā)器和RS485總線收發(fā)器的電平轉(zhuǎn)換，分別實(shí)現(xiàn)了在CAN總線上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)以及對(duì)RS485設(shè)備上數(shù)據(jù)的讀寫。

當(dāng)要向RS485設(shè)備寫數(shù)據(jù)時(shí)，就將要寫的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。通過(guò)CAN總線收發(fā)器的電平轉(zhuǎn)換之后，CAN控制器將收到一幀CAN數(shù)據(jù)，當(dāng)確認(rèn)這幀數(shù)據(jù)是發(fā)往本節(jié)點(diǎn)時(shí)，微控制器就將數(shù)據(jù)發(fā)送到UART控制器上，通過(guò)RS485總線收發(fā)器傳送到RS485設(shè)備上。

RS485設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)將通過(guò)RS485和UART控制器傳送到微處理器上。微處理器就將這個(gè)數(shù)據(jù)通過(guò)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(diǎn)接收。

2.2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本文介紹的RS485-CAN總線轉(zhuǎn)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(jí)單片機(jī)。具有低功耗和穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)^[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(chǎn)的、用來(lái)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(jìn)的SOI（silicon on insulator）技術(shù)，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(qiáng)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L(zhǎng)PC2119內(nèi)建CAN控制器的發(fā)送和接收引腳，TXD0和RXD0分別為LPC2119內(nèi)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(shí)，TJA1050進(jìn)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(gè)是低電平起效，一個(gè)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(gè)IO來(lái)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三大部分：系統(tǒng)初始化程序、RS485設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送中斷程序，RS485設(shè)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(shè)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(fù)位CAN控制器

       while (SetErWarmVal (CanNum,USE_EWL_CAN[CanNum])); //設(shè)置錯(cuò)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(shè)置發(fā)送優(yōu)先模式寄存器

       while (SetLOMMOD(CanNum,USE_LOM_CAN[CanNum]));//設(shè)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(dòng)CAN

}

3.2 RS485-CAN總線轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原理

CAN的幀格式中，有一個(gè)標(biāo)識(shí)符域。CAN控制器的全局濾波器會(huì)檢測(cè)這個(gè)標(biāo)識(shí)域，決定是否接收本幀數(shù)據(jù)。由于RS485網(wǎng)絡(luò)上，所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)同時(shí)收到數(shù)據(jù)，因此可以為所有的RS485從設(shè)備設(shè)定同一個(gè)標(biāo)識(shí)符。一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)若要發(fā)送數(shù)據(jù)給RS485設(shè)備，只需在該幀把標(biāo)識(shí)符域設(shè)定為相應(yīng)的標(biāo)識(shí)符即可。

RS485本質(zhì)上僅僅是一個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，以字節(jié)為單位進(jìn)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(shè)備會(huì)自動(dòng)根據(jù)接收到的幀，自動(dòng)判斷該幀是否發(fā)往本節(jié)點(diǎn)，然后做出相應(yīng)處理。因此，在RS485設(shè)備要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，RS485-CAN總線轉(zhuǎn)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(luò)上；而RS485設(shè)備在接收數(shù)據(jù)時(shí)，RS485-CAN總線轉(zhuǎn)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(lái)，發(fā)往RS485設(shè)備即可。

3.3 RS485設(shè)備數(shù)據(jù)接收中斷程序

當(dāng)RS485-CAN總線轉(zhuǎn)換器收到CAN網(wǎng)絡(luò)上發(fā)往RS485設(shè)備的數(shù)據(jù)幀時(shí)，即會(huì)觸發(fā)CAN中斷，進(jìn)入數(shù)據(jù)接收中斷服務(wù)程序，其流程圖如圖4（源程序略）：

3.4 RS485設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送中斷程序

當(dāng)RS485-CAN總線轉(zhuǎn)換器串口收到RS485設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，即會(huì)觸發(fā)串口中斷，進(jìn)入RS485設(shè)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(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的RS485-CAN總線轉(zhuǎn)換器的電路簡(jiǎn)單可靠，操作方便。通過(guò)它，任何RS485設(shè)備都可以無(wú)需做任何修改就可以直接放到CAN網(wǎng)絡(luò)中使用。在總線轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計(jì)中一般應(yīng)該遵守的一條原則是：不要將其功能設(shè)計(jì)的過(guò)于復(fù)雜。因?yàn)樗闹饕蝿?wù)是將數(shù)據(jù)以最快的速度轉(zhuǎn)發(fā)。至于流量和差錯(cuò)控制應(yīng)由通信雙方的應(yīng)用層來(lái)完成。而本總線轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計(jì)，很好地達(dá)到了這一要求。