基于AT89C52單片機的RS485-CAN智能轉換器設計*

姚發閃，陳志軍

（新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830046）

現場總線是一種應用于生產現場，在現場設備之間、現場設備與控制器之間實行雙向、串行、多節點數字通信的技術。RS485是一種平衡傳輸方式的串行接口標準，采用半雙工異步數據通信方式。RS485的共線電路結構是在一對平衡傳輸線的兩端都配置終端電阻，其收發器和接收器可以掛在平衡傳輸線的任何位置，實現在數據傳輸中多個驅動器和接收器共用一個傳輸線的多點應用。目前，在我國應用的現場總線中，RS485通信總線也是被廣泛使用的數據通信總線。隨著科技的發展，RS485總線的效率低、系統的實時性差、通信的可靠性低、后期不靈活等缺點逐漸暴露出來。但完全放棄RS485網絡系統是不可能的，尤其是在已經具有現場的硬件網絡中。而CAN現場總線作為一種由帶CAN控制器組成的高性能串行數據通信網絡，是國際上應用最廣泛的現場總線之一，是一種技術先進、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網絡通信控制方式。因此，可以考慮一種折中的方法，就是在保留現有RS485系統硬件結構的基礎上，添加一個CAN總線接口，以實現CAN總線接口和RS485接口之間的相互轉換。

1 系統整體設計方案

RS485-CAN智能轉換器實現了RS485總線網絡與CAN總線的網絡互連，這種連接方法一般作為過渡性的方案，適合那些新舊系統并存，性能要求不高，新系統與舊系統有相同運行機制的地方。該設計有1個RS485通道和1個CAN通道，可以很方便地嵌入使用RS485接口通信的網絡接口、工業現場控制單元、智能網絡接口中。原有系統中的RS485網絡與CAN網絡是相互獨立的，現在可以在不改變原有硬件結構的前提下，使用RS485總線設備通過RS485-CAN智能嵌入式網關，經由CAN總線網絡與上位機進行通信。

2 硬件設計

RS485-CAN智能轉換器由微控制器模塊、基本模塊、CAN接口模塊、RS485接口模塊和儲存模塊組成。如果選擇的微處理器中集成了CAN控制器，則無需外接CAN控制器；否則需要外接CAN控制器。硬件設計框圖如圖1所示。

2.1 微控制器模塊

本系統采用性價比較高的ATMEL單片機AT89C52，AT89C52是一個低電壓、高性能CMOS 8 bit單片機，片內含8 KB的可反復擦寫的只讀程序存儲器Flash和256 B的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，內置通用8 bit中央處理器和Flash存儲單元。AT89C52單片機電路如圖2所示。

D100為電源指示燈；P0口連接CAN控制器SJA1000的總線；P2.0控制 SJA1000片選信號，SJA1000向微控制器發送數據通過INT0外部中斷的方式通知，微控制器的、分別與SJA1000的讀寫信號相連；TXD、RXD與 RS485收發器相連；P1.0～P1.3與儲存器AT93C46相連；P2.6經上拉電阻與J100跳線相連。當不接跳線時，P2.6為高電平，表示進行正常的RS485總線數據傳輸；當連接跳線時，P2.6為低電平，表示串口作為配置參數使用。

2.2 CAN接口模塊

2.2.1 CAN總線接口的結構

一個CAN總線接口由微控制器、CAN控制器和CAN收發器三部分組成，它們分別對應于CAN總線的物理層、數據鏈路參和應用層。微控制器主要負責上層應用及系統控制，包括CAN協議的應用層協議的實現，協調系統各設備的工作。中間層為CAN控制器，主要負責處理數據幀，完成數據的打包、解包和錯誤界定，并提供報文緩沖和傳輸濾波。底層是CAN收發器，主要是接口電平的轉換及接口電氣特征的處理。

2.2.2 CAN總線控制器和收發器

CAN控制器選用飛利浦公司生產的SJA1000 CAN總線控制模塊。SJA1000是一種獨立控制器，用于工業環境中的CAN總線。SJA1000的基本特征有：管腳及電氣特性與獨立CAN總線控制器PCA82C200兼容；軟件與PCA82C200兼容 （缺省為基本CAN模式）；擴展接收緩沖器（64 B FIFO）；支持 CAN2.0B協議，同時支持 11 bit和29 bit標識符；通信速率為1 Mb/s；增強CAN模式（PeliCAN），支持具有很多特性的 CAN2.0協議；采用 24 MHz時鐘頻率；支持多種微處理器接口。

本設計選擇TJA1050作為CAN總線收發器。TJA1050是CAN協議控制器和物理總線之間的接口，是一種標準的高速CAN收發器，可以為總線提供不同的發送性能，也為CAN控制器提供不同的接收性能。TJA1050的主要特征有[3]：完全符合ISO 11898標準；速率最高達1 Mb/s；電磁輻射（EME）極低；電磁抗干擾 EMI性極高；不上電的節點不會對總線造成擾動；TXD引腳有防止箝位在顯性總線電平的超時功能；靜音模式中提供了只聽模式和Babbling Idiot保護；保護總線引腳防止汽車環境中的瞬態干擾；輸入級和3.3 V以及5 V的器件兼容；輸出驅動器受到溫度保護。

CAN總線收發器TJA1050與CAN總線控制器SJA1000連接的電路圖如圖3所示。

SJA1000的AD0～AD7與單片機的數據總線相連，P2.0引腳作為 SJA1000的片選使能端，由 ALE、WR、RD控制SJA1000數據的接收和發送；SJA1000的11腳MODE接高電平；SJA1000的16引腳是中斷信號輸出，與單片機的外部中斷INT0引腳相連，在中斷允許的情況下，當有中斷發生時，16引腳出現由高電平到低電平的跳變，從而通知單片機進行相應處理；SJA1000的TX1腳懸空；RX1引腳的電位必須維持在0.5VCC以上，否則，將不能形成CAN總線所要求的電平邏輯；SJA1000的TD1和RD1分別通過高速光耦6N137與SJA1000的TXD和RXD相連，以提高CAN總線節點的抗干擾能力，保證各節點之間在電氣上是完全隔離和獨立的。

2.3 RS485接口模塊和儲存模塊

在RS485接口電路中采用MAX485芯片作為總線接收器，它是+5 V低功耗半雙工器件。MAX485的驅動器輸出是差分輸出，完全滿足RS485串行協議的要求，兼容工業標準規范。系統對儲存模塊的要求比較低，掉電不丟失，僅用來儲存系統的配置信息，要求的儲存空間較小，因此選用ATMEL公司的AT93C46芯片作為存儲模塊。

3 系統軟件設計

軟件設計由主程序模塊、初始化程序和中斷程序三部分組成。CAN總線通信模塊和RS485通信模塊的主程序可以分為初始化部分和循環部分。CAN通信模塊和RS485通信模塊的接收和發送采用的是中斷方式。CAN總線和RS485總線的數據接收和發送采用的是中斷方式，在中斷程序中設置相應的接收中斷標志，然后在主程序中用查詢的方式根據不同的標志進入到相應的中斷程序。CAN控制器接收到數據后輸出中斷信號到微控制器，引起中斷，RS485則利用微控制器的串口中斷。初始化部分包括單片機初始化和SJA1000的初始化。AT89C52的初始化主要是對總線片選、串口工作方式、串口波特率、中斷等寄存器賦初值。SJA1000初始化主要是對模式寄存器、時鐘分頻寄存器、驗收濾波寄存器、驗收屏蔽寄存器、總線定時器以及輸出控制器進行設置。在設置前要檢查SJA1000是否為復位模式，因為要得到配置信息的寄存器僅在復位模式可寫。中斷服務程序CAN總線的接收分為查詢控制接收和中斷控制接收兩種，為了更好地處理實時數據和實時響應控制命令，CAN采用中斷控制命令，主流程在中斷控制的數據接收之前必須使能SJA1000的接收中斷和全局中斷，接收中斷使能表示位于中斷使能控制器中。首先讀取SJAQ000的中斷寄存器，然后判斷是接收中斷、發送中斷、總線錯誤中斷還是數據超載中斷。判斷出是哪種中斷后進入該中斷服務程序進行處理。

本文通過RS485-CAN智能轉換器實現了RS485總線和CAN總線這兩種串行數據總線之間的數據通信，而且可以設置CAN和RS485的波特率，并將參數保存到儲存器中，具有一定的通用性。但本文在軟件設計方面沒有更多地考慮人機交互界面的設計，還需要不斷完善。

[1]丁元杰.單片微機原理與應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[2]廣州周立功單片機發展有限公司.CJA1000獨立CAN控制器[Z].2003.

[3]廣州周立功單片機發展有限公司.TJA1050CAN高速收發器應用指南[Z].2003.

[4]劉澤祥.現場總線技術 [M].北京：機械工業出版社，2011.