CAN总线与RS-485总线的通信接口设计
日期：2006-4-25 23:21:06 来源：本文摘自《PLC&FA》
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CAN总线(Controller Area Network)是由德国Bosch公司于20世纪80年代专门为汽车电子控制系统开发的一种串行数据通信协议，特别适合应用于分布式控制或实时控制领域。它的应用范围遍及高速网络和低成本的分布式控制系统。CAN具有以下特点:
(1) 无破坏的依据优先权的仲裁;
(2) 多主站点依据优先级进行总线访问;
(3) 严格的错误检测和界定;
(4) 支持远程数据请求;
(5) 借助接收滤波的多地址帧传送;
(6) 通信介质多样，组合方式灵活;
(7) 全系统数据兼容，系统灵活;
(8) 最远传输距离为10Km(总线传输速率为5kbps)， 最大传输速率为1Mbps(总线传输距离为40m)。
RS-485标准是美国EIA(电子工业联合会)公布的串行通信协议。它比RS-232C标准信号传输距离长、速度快、抗干扰性能好，广泛应用于各种工业、楼宇、能源等领域。在实际应用中，许多工业控制设备(如PLC)都带有RS-485接口。因此，有必要设计CAN总线与RS-485总线的通信接口电路。
整个通信接口电路由单片机AT89C52、CAN控制器SJA1000、CAN收发器82C250、高速光电耦合器6N137和RS-485收发器MAX485组成。如图1所示。单片机AT89C52主要完成SJA1000的初始化，及CAN总线 和RS-485总线之间的数据通信任务。SJA1000是CAN控制器82C200的替代产品。它主要由下列功能模块构成:接口管理逻辑、发送缓冲器、接收缓冲器、接收过滤器、位流处理器、位时序逻辑和错误管理逻辑。除了与82C200兼容之外，它增加了许多新功能:PeliCAN工作模式、读/写访问的错误计数器、标准和扩展结构信息的接收和发送、可编程的错误限制报警、只听模式和仲裁丢失中断。单片机对SJA1000内部寄存器的控制是以访问外部寄存器的方式进行的。CAN收发器82C250是CAN总线控制器和物理总线之间的接口，主要负责提供对总线的差分发送能力和对CAN控制器的差分接收能力。它的引脚8(RS)控制3种不同的工作方式的选择:待机、斜率控制和高速。
(1) 给RS接上高电平，则82C250以低电流待机方式工作;
(2) 若RS通过连接电阻接地，则进入斜率控制方式，该方式可以通过改变电阻的阻值来调节斜率，适用于低速和较短的总线长度的应用场合;
(3) 如果RS接地，就选择了高速工作方式。高速光电耦合器6N137实现了CAN控制器和收发器之间的电气隔离，增强了系统的稳定性和抗干扰能力。RS-485收发器MAX485是一种差分平衡型的小功率收发器，包含一个驱动器和一个接收器，使用单+5V电源供电，专门用于TTL协议(即通用于各型CPU的通信协议)和485标准之间的相互转换，使微控制器可以利用RS-485串行通信协议直接进行串行通信。
整个转换过程可分为:CAN总线转换到RS-485总线和RS-485总线转换到CAN总线。CAN总线转换到RS-485总线的流程如下:微控制器接收到CAN总线节点发送的报文，根据CAN总线规定的数据格式取出报文的有用信息，然后由微控制器通过MAX485将信息发送到RS-485总线。而RS-485总线转换到CAN总线则是上述流程的逆过程。
软件设计的主要任务是实现数据和控制命令在CAN总线网络和RS-485总线之间的传输。它主要包括RS-485和CAN接口的初始化程序、报文发送和接收程序、中断服务程序和错误处理程序等。其中，SJA1000的初始化程序是软件设计中的难点，需要完成各种工作参数的设置。其中，控制寄存器用来改变CAN控制器的行为，包括进入复位状态，激活不同类型的中断源，如接收中断、发送中断和数据溢出中断等。验收代码寄存器和验收屏蔽寄存器共同作用定义了能被节点所接收报文的条件:所收信息的标识符的相应位与验收代码寄存器验收码的相应位相等。 验收屏蔽寄存器的作用是确定验收码的哪些位对于验收滤波是相关的或不相关的。总线时序寄存器0定义了波特率的预设值及同步跳转宽度;总线时序寄存器1则定义了位周期的长度、采样点的位置和采样数目。输出控制寄存器可以设置不同的输出模式(如正常输出模式、双相输出模式和时钟输出模式等)。时钟分频寄存器不仅可以控制SJA1000的输出频率及屏蔽CLKOUT引脚，而且还能够对Basic CAN和Peli CAN模式进行选择。具体的SJA1000初始化程序流程如图2所示。
1 CAN总线及RS-485总线简介
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CAN总线(Controller Area Network)是由德国Bosch公司于20世纪80年代专门为汽车电子控制系统开发的一种串行数据通信协议，特别适合应用于分布式控制或实时控制领域。它的应用范围遍及高速网络和低成本的分布式控制系统。CAN具有以下特点:
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(1) 无破坏的依据优先权的仲裁;
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(2) 多主站点依据优先级进行总线访问;
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(3) 严格的错误检测和界定;
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(4) 支持远程数据请求;
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(5) 借助接收滤波的多地址帧传送;
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(6) 通信介质多样，组合方式灵活;
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(7) 全系统数据兼容，系统灵活;
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(8) 最远传输距离为10Km(总线传输速率为5kbps)， 最大传输速率为1Mbps(总线传输距离为40m)。
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RS-485标准是美国EIA(电子工业联合会)公布的串行通信协议。它比RS-232C标准信号传输距离长、速度快、抗干扰性能好，广泛应用于各种工业、楼宇、能源等领域。在实际应用中，许多工业控制设备(如PLC)都带有RS-485接口。因此，有必要设计CAN总线与RS-485总线的通信接口电路。
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2 硬件设计
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整个通信接口电路由单片机AT89C52、CAN控制器SJA1000、CAN收发器82C250、高速光电耦合器6N137和RS-485收发器MAX485组成。如图1所示。单片机AT89C52主要完成SJA1000的初始化，及CAN总线 和RS-485总线之间的数据通信任务。SJA1000是CAN控制器82C200的替代产品。它主要由下列功能模块构成:接口管理逻辑、发送缓冲器、接收缓冲器、接收过滤器、位流处理器、位时序逻辑和错误管理逻辑。除了与82C200兼容之外，它增加了许多新功能:PeliCAN工作模式、读/写访问的错误计数器、标准和扩展结构信息的接收和发送、可编程的错误限制报警、只听模式和仲裁丢失中断。单片机对SJA1000内部寄存器的控制是以访问外部寄存器的方式进行的。CAN收发器82C250是CAN总线控制器和物理总线之间的接口，主要负责提供对总线的差分发送能力和对CAN控制器的差分接收能力。它的引脚8(RS)控制3种不同的工作方式的选择:待机、斜率控制和高速。
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(1) 给RS接上高电平，则82C250以低电流待机方式工作;
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(2) 若RS通过连接电阻接地，则进入斜率控制方式，该方式可以通过改变电阻的阻值来调节斜率，适用于低速和较短的总线长度的应用场合;
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(3) 如果RS接地，就选择了高速工作方式。高速光电耦合器6N137实现了CAN控制器和收发器之间的电气隔离，增强了系统的稳定性和抗干扰能力。RS-485收发器MAX485是一种差分平衡型的小功率收发器，包含一个驱动器和一个接收器，使用单+5V电源供电，专门用于TTL协议(即通用于各型CPU的通信协议)和485标准之间的相互转换，使微控制器可以利用RS-485串行通信协议直接进行串行通信。
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整个转换过程可分为:CAN总线转换到RS-485总线和RS-485总线转换到CAN总线。CAN总线转换到RS-485总线的流程如下:微控制器接收到CAN总线节点发送的报文，根据CAN总线规定的数据格式取出报文的有用信息，然后由微控制器通过MAX485将信息发送到RS-485总线。而RS-485总线转换到CAN总线则是上述流程的逆过程。
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3 软件设计
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软件设计的主要任务是实现数据和控制命令在CAN总线网络和RS-485总线之间的传输。它主要包括RS-485和CAN接口的初始化程序、报文发送和接收程序、中断服务程序和错误处理程序等。其中，SJA1000的初始化程序是软件设计中的难点，需要完成各种工作参数的设置。其中，控制寄存器用来改变CAN控制器的行为，包括进入复位状态，激活不同类型的中断源，如接收中断、发送中断和数据溢出中断等。验收代码寄存器和验收屏蔽寄存器共同作用定义了能被节点所接收报文的条件:所收信息的标识符的相应位与验收代码寄存器验收码的相应位相等。 验收屏蔽寄存器的作用是确定验收码的哪些位对于验收滤波是相关的或不相关的。总线时序寄存器0定义了波特率的预设值及同步跳转宽度;总线时序寄存器1则定义了位周期的长度、采样点的位置和采样数目。输出控制寄存器可以设置不同的输出模式(如正常输出模式、双相输出模式和时钟输出模式等)。时钟分频寄存器不仅可以控制SJA1000的输出频率及屏蔽CLKOUT引脚，而且还能够对Basic CAN和Peli CAN模式进行选择。具体的SJA1000初始化程序流程如图2所示。
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