基于PCA82C250與MCU間的直連通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

    摘要：在分析了RS-485總線與CAN部遲疑不決的異同點后，以PCA82C250型接口電路為例提出了用CAN總線通信物理層接口電路來替代RS-485總線接口中電路與單片機(jī)直接連接進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，從而可形成一個高性能、低價格且數(shù)據(jù)通信安全、可靠的分布式測控系統(tǒng)。

    關(guān)鍵詞：通信物理接口 RS-485總線 CAN總線 MCU

1 概述

用于多機(jī)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(chǔ)，傳統(tǒng)的以單片機(jī)為核心的分布式多機(jī)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(fù)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(jī)為核心的分布式多機(jī)測控系統(tǒng)通信物理層的應(yīng)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(hù)成本高、網(wǎng)絡(luò)工程調(diào)試復(fù)雜、傳輸距離不理想、單總線可掛接節(jié)點少、應(yīng)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，這對提高多機(jī)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(lǐng)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(gòu)成的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)。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(biāo)準(zhǔn)）也可與單片機(jī)直接連接構(gòu)成一個高可靠、低成本、簡單實用、多機(jī)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：

·二線制、半雙工串行通信；

·差分傳送、平衡接收；

·傳輸介質(zhì)為雙絞線；

·需終端匹配電阻器；

·通信電路可在5V電源條件下工作。

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：

·完全符合ISO11898國際標(biāo)準(zhǔn)；

·數(shù)據(jù)傳輸距離長（長達(dá)10km/5kb/s）;

·數(shù)據(jù)傳輸速率高（高達(dá)1Mb/s/40m）；

·CAN總線中的總線數(shù)值為二種互補邏輯“顯性”或“隱性”位數(shù)值；

·可實現(xiàn)多主式通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，信號在總線上通過“線與”可實現(xiàn)非破壞性總線仲裁；

·無發(fā)送、接收轉(zhuǎn)換控制引腳；

·具有抗瞬間脈沖干擾（-150V<V脈沖<+100V）的總線保護(hù)能力；

·具有較RS-485總線高的總線電壓（-8V～+18V）承受能力；

·具有發(fā)送脈沖斜率控制，可降低射頻干擾；

·差分接收器可以抗拒較寬范圍的共模干擾；

·具有總線與電源和地之間的短路保護(hù)；

·具有抗總線短路保護(hù)能力；

·在特定的單線條件下仍可以保護(hù)總線正常工作；

·具有低電流待機(jī)模式；

·總線內(nèi)部配有電阻器網(wǎng)絡(luò)，無需外部上、下位電阻器；

·未上電的節(jié)點對總線無影響；

·至少可以連接110節(jié)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(jī)互連分布式測控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，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(gòu)造出極具競爭力的分布式測控系統(tǒng)。

圖2

3 PCA82C250簡介

完全符合ISO11898國際標(biāo)準(zhǔn)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：

1腳：欲發(fā)送數(shù)據(jù)的輸入端；

2腳：電源地端；

3腳：電源端；

4腳：接收數(shù)據(jù)的輸出端；

5腳：參考電壓的輸出端；

6腳：低電平CAN總線輸入/輸出端；

7腳：高電平CAN總線輸入/輸出端；

8腳：總線脈沖斜率控制電阻連接端。

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(jī)。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(jìn)入低電流待機(jī)狀態(tài)。在這種方式下，發(fā)送器被關(guān)閉，接收器轉(zhuǎn)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(luò)終端，在總線上需要加一個120Ω左右的匹配電阻。

4 應(yīng)用實例

以Atmal AT89C55型單片機(jī)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(zhuǎn)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(dāng)于關(guān)閉總線），這為具有“休眠”功能的系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡(luò)安全保障；當(dāng)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(dāng)VCC為5V時）、CANL輸出低電平（約1.5V,當(dāng)Vcc為5V時）。顯然，在多主機(jī)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(shè)備應(yīng)是下一個占有總線的設(shè)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(dāng)RS上的電阻大于0.75CC時，PCA82C250芯片進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)RS上的電壓小于0.3Vcc時，PCA82C250進(jìn)入高速通信狀態(tài)；當(dāng)RS上的電壓處于0.4Vcc至0.6Vcc之間時，PCA82C250進(jìn)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(dāng)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(guān)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(jìn)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(shè)計上對此應(yīng)有所考慮。當(dāng)然，這為多機(jī)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(dāng)需要MCU與通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)之間的電氣隔離。

5 結(jié)論

經(jīng)實際應(yīng)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(jī)互連的分布式測控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，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(yīng)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(jī)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(gòu)造出極具競爭力的分布式測控系統(tǒng)，使多機(jī)互連的分布式測控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)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。