現(xiàn)場(chǎng)總線CANbus與RS-485之間透明轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以其獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，在現(xiàn)代分布式測(cè)量與控制技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用已愈來愈廣泛。各種現(xiàn)場(chǎng)總線的主控制器一般都內(nèi)嵌有相當(dāng)完善的、開放式的互聯(lián)通信協(xié)議，它具有通信速度快、誤碼率低、開發(fā)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單及網(wǎng)絡(luò)使用維護(hù)方便等諸多特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與控制技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。但目前，在許多現(xiàn)場(chǎng)已投入使用的測(cè)量與控制系統(tǒng)中，各儀器設(shè)備或裝置之間通信所使用的仍是傳統(tǒng)的RS-485或RS-422總線。在不斷投入新型現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的同時(shí)，要在短期內(nèi)改造或淘汰那些舊系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的。況且，在許多應(yīng)用場(chǎng)合，新老系統(tǒng)中主機(jī)的控制算法及功能是相似或兼容的，所以在一定時(shí)欷新老總線系統(tǒng)同時(shí)并存是客觀的現(xiàn)實(shí)需要。對(duì)此，若能將新老儀器設(shè)備或裝置通過一種透明轉(zhuǎn)換裝置而有機(jī)地柔合在一起，去掉老系統(tǒng)中重復(fù)的部分，是一種很好的選擇。

1 CANbus簡(jiǎn)述

CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是德國(guó)BOSCH公司于80年代初為解決現(xiàn)代汽車業(yè)眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)，目前已逐步應(yīng)用到其它領(lǐng)域的一種符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。CAN的主要技術(shù)特點(diǎn)有：

（1）對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，通信方式靈活。

（2）采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以分成不同的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)暫停數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)瞇可不受影響地繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)。之后，按優(yōu)先級(jí)高低，其它節(jié)點(diǎn)在總線空閑時(shí)依次進(jìn)行被暫停的數(shù)據(jù)傳送，有效地避免了總線沖突。

（3）每一幀的有效字節(jié)數(shù)最多為8個(gè)，幀傳送時(shí)間短，受干擾概率小，重發(fā)時(shí)間短。每一幀信息都有CRC校驗(yàn)及其它檢錯(cuò)措施，通信誤碼率低。

（4）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線接口的功能，避免影響總線上的其它節(jié)點(diǎn)的正常操作。

（5）通信距離最遠(yuǎn)達(dá)10km(5kB/s)，通信速率最高可達(dá)到1MB/s(40M)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目實(shí)際可達(dá)110個(gè)。通信介質(zhì)采用雙絞線，也可用光纖。

2 實(shí)現(xiàn)方法

CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線與RS-485總線的主要區(qū)別是：CAN總線是以幀為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的，且每幀均攜帶對(duì)應(yīng)的ID標(biāo)示符，而RS-485是以字節(jié)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，不帶任何其它附屬信息。如果不考慮幀中的ID標(biāo)示符，那么這二種總線傳輸?shù)男畔⒕涂梢哉J(rèn)為完全相同?？紤]到絕大多數(shù)應(yīng)用CAN總線的場(chǎng)合都不可能分配完系統(tǒng)中的ID標(biāo)示符資源，因而在系統(tǒng)中可以另分配一至多個(gè)ID標(biāo)示符給RS-485總線數(shù)據(jù)，即給總線透明轉(zhuǎn)換電路所用，收、發(fā)數(shù)據(jù)的ID標(biāo)識(shí)符可以不相同。CAN總線系統(tǒng)中的公用主控設(shè)備一般被設(shè)置成直通狀態(tài)，它可通過發(fā)送、接收具有不同ID標(biāo)示符的不同數(shù)據(jù)幀，方便地對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的各種設(shè)備進(jìn)行管理和控制。對(duì)那些純粹靠幀數(shù)據(jù)本身而忽略ID標(biāo)志符的系統(tǒng)來說，這種不同總線之間的轉(zhuǎn)換更加簡(jiǎn)單。

實(shí)現(xiàn)二種總線之間的透明轉(zhuǎn)換的基本過程是這樣的：電路加電進(jìn)入正常狀態(tài)后，首先以電路中保存的參數(shù)（如未初始化則以缺省參數(shù)）對(duì)二個(gè)總線通信端口分別進(jìn)行初始化，并將所有通訊端口設(shè)置成中斷接收工作方式，在啟動(dòng)內(nèi)部看門狗（SWatchdog）后，電路等待外來數(shù)據(jù)的中斷。一旦某一總線端口有有效數(shù)據(jù)進(jìn)入，電路首先將這些數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，置相關(guān)內(nèi)部標(biāo)志，關(guān)閉其它端口的中斷，以使接收端數(shù)據(jù)能及時(shí)被接收到。在下一數(shù)據(jù)到來之前，電路將及時(shí)通過另一端口將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出卻，直到緩沖區(qū)空。在這種轉(zhuǎn)換過程中，如果數(shù)據(jù)是自CANBUS一端流入，則電路只將幀內(nèi)數(shù)據(jù)讀入到緩沖區(qū)。相反，則電路在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)之前自動(dòng)按設(shè)置將設(shè)定ID標(biāo)示符加到發(fā)送信息中，一旦轉(zhuǎn)換過程結(jié)束，所有端口又被允許中斷接收。電路中緩沖區(qū)一般可配置8k～32K字節(jié)的靜態(tài) RAM。

在未進(jìn)入轉(zhuǎn)換工作時(shí)，電路允許參數(shù)設(shè)置端口的設(shè)置中斷進(jìn)入。參數(shù)設(shè)置包括：設(shè)置RS-485的通信波特率（當(dāng)然端口數(shù)據(jù)格式也可設(shè)）；設(shè)置CANBUS的通信波特率、接收碼（accept-code）、屏蔽字（mask-code）、發(fā)送標(biāo)示符。參數(shù)設(shè)置好后將立即生效，通過該端口還可查詢當(dāng)前電路中的各運(yùn)行參數(shù)值。電路工作的主工流程圖如圖1所示。

3 實(shí)際電路

圖2 是一種可選的線路原理示意圖。電路中使用的單片機(jī)是ATMEL傳頌的AT89S8252，它是一種內(nèi)帶8K Flash RAM、2K EEPROM、同時(shí)內(nèi)嵌獨(dú)立的硬件Watchdog電路，最高工作主頻為24MHz的新型單片機(jī)。所配數(shù)據(jù)緩沖器62256為32K字節(jié)的靜態(tài)RAM。配置較大緩沖區(qū)的明顯好處是提高了對(duì)二種不同速率總線的適應(yīng)能力。圖中RS232口是專用來設(shè)置二總線端口的工作參數(shù)，所設(shè)參數(shù)均保存在CPU的2K EEPROM中。另外，為提供線路的可靠性，對(duì)CANBUS端采和了電隔離措施，RS-485端所使用的MAX1480也是一種內(nèi)部電隔離的芯片。圖中 VCC與VCC1為相互隔離的二組5V電源。

對(duì)于那些對(duì)總線響應(yīng)速率要求比較荷刻的場(chǎng)合，可采用雙CPU控制電路，即每個(gè)CPU分別負(fù)責(zé)一端總線的通信事務(wù)。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)仍采用公用的單口或雙口RAM。相應(yīng)的控制算法必須增加一些有關(guān)對(duì)公共數(shù)據(jù)區(qū)的管理操作，在此不做詳述。

以上電路多適用于二種總線并存于同一系統(tǒng)的場(chǎng)合，以實(shí)現(xiàn)二種總線之間的有機(jī)結(jié)合，使新老設(shè)備能很好地同時(shí)運(yùn)行，節(jié)省系統(tǒng)開支。這種透明轉(zhuǎn)換電路在已研制的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用以后，效果良好。

對(duì)以上電路稍做修改，即將MAX1480換成MAX232芯片就可設(shè)計(jì)出一種能在CAN現(xiàn)場(chǎng)總線與RS-232之間實(shí)現(xiàn)透明轉(zhuǎn)換的電路。這種電路可用于那些需要用便攜機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)通信（如現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等）的場(chǎng)合，因?yàn)槟壳氨銛y機(jī)一般只配RS-232接口。另外，如將電路的二個(gè)總線端口設(shè)計(jì)成相同的接口，那么它還可以用在使用同一種總線，但不同的區(qū)域卻有不同通信速率的應(yīng)用場(chǎng)合。

對(duì)于那些首次接觸CANBUS技術(shù)的開發(fā)人員來說，以上電路還是一種很好的端點(diǎn)開發(fā)輔助設(shè)備，即開發(fā)人員只要對(duì)該電路設(shè)置合適的端口參數(shù)，并將用戶電路與之連接好后，開發(fā)人員即可在一相對(duì)熟悉的環(huán)境下專心開發(fā)自己的應(yīng)用電路。

作者：南京國(guó)家電力總公司電力自動(dòng)化研究院大壩的（210003） 鄧檢華