基于LPC2119的RS485-CAN总线转换器设计

1．RS485及CAN总线简介

RS485是工业控制领域中一种传统的总线技术。然而，随着工业控制的复杂度提高，RS485总线在系统容量，通讯距离，不能支持多主结构等方面的缺陷开始逐渐显现。

CAN总线是从20时纪80年代初发展起来的一种新型现场总线技术，它的总线长度最远可达10千米（速率5Kbps以下），数据传输速率最高可达1Mbps（通讯距离40米以内）。它在多主方式下工作，不分主从；节点数的数目主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。采用非破坏总线仲裁技术，即使网络负载很重也不会出现网络瘫痪现象。此外，CAN的每帧信息都有CRC校验和其它检错措施，有很好的检错效果^[1]。

由于CAN总线具备以上优点，它目前已经被广泛应用到汽车电子、电力系统、航空工业和自动工作等领域中，并形成了国际标准，被公认为几种最有前途的现场总线之一^[2]。

然而，由于RS485和CAN总线的电压不兼容，帧格式也不相同，因此，大量现有的RS485总线设备若要在CAN总线上使用，就必须使用RS485-CAN总线转换器。

2．系统硬件设计

2.1 系统硬件原理框图

图1 ：RS485-CAN总线转换器原理框图

RS485-CAN总线转换器由微控制器、CAN总线控制器、CAN总线收发器、UART控制器、RS485总线收发器组成，其原理框图如图1所示。

微处理器通过对CAN控制器和UART控制器的操作，经过CAN总线收发器和RS485总线收发器的电平转换，分别实现了在CAN总线上接收和发送数据以及对RS485设备上数据的读写。

当要向RS485设备写数据时，就将要写的数据发送到CAN总线上。通过CAN总线收发器的电平转换之后，CAN控制器将收到一帧CAN数据，当确认这帧数据是发往本节点时，微控制器就将数据发送到UART控制器上，通过RS485总线收发器传送到RS485设备上。

RS485设备发送数据时，数据将通过RS485和UART控制器传送到微处理器上。微处理器就将这个数据通过CAN控制器和CAN总线收发器发送到CAN总线上，让其它节点接收。

2.2 系统电路设计

本文介绍的RS485-CAN总线转换器选用飞利浦公司的LPC2119作为系统的微控制器。LPC2119是一款集成有CAN和UART控制器的ARM7核的工业级单片机。具有低功耗和稳定可靠的特点^[3]。由于LPC2119本身集成了CAN和UART控制器，因此只需再增加一块CAN总线收发芯片和一块RS485总线收发芯片，以及一些外围器件即可完成系统的电路搭建。

CAN总线收发器选用TJA1050，该芯片是飞利浦公司生产的、用来替代82C250的高速CAN总线收发器。除了保留82C250的主要特性外，由于TJA1050采用了先进的SOI（silicon on insulator）技术，因此抗电磁干扰性能得到大幅提高。^[4]

RS485总线收发器选用了Sipex公司的SP485E，该芯片是一半双工收发器，具有增强型ESD性能，可承受15kV的人体放电模式和接触放电模式。系统电路图如图2所示：

图2： 系统电路图                          

 图3： 微控制器初始化流程图

图中，TD1和RD1分别为LPC2119内建CAN控制器的发送和接收引脚，TXD0和RXD0分别为LPC2119内建UART控制器的发送和接收引脚。TJA1050的S引脚是静音模式选择引脚。S引脚高电平时，TJA1050进入静音模式，发送器完全禁能，执行只听功能。SP485E的/RE引脚和DE引脚分别是接收使能和发送使能，一个是低电平起效，一个是高电平起效。由于SP485E是一半双工的收发器，因此可以把/RE引脚和DE接在一起，由微控制器的一个IO来控制SP485E是处于接收状态还是发送状态。

3．系统软件设计

系统的软件设计主要包括三大部分：系统初始化程序、RS485设备数据发送中断程序，RS485设备数据接收中断程序。

3.1 系统初始化程序

系统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见图3(源代码略)。

然后是UART控制器和CAN控制器的初始化。下面给出这部分的源代码：

/* UART0初始化 */

uint8 UART0Init(uint32 bps)

{

uint16 Fdiv;

PINSEL0 = (PINSEL0 & 0xfffffff0) | 0x05;    // 选择管脚为UART0

U0LCR = 0x80;                          // 允许访问分频因子寄存器

Fdiv = (Fpclk / 16) / bps;                   // 设置波特率

U0DLM = Fdiv / 256;

U0DLL = Fdiv % 256;

U0LCR = 0x07;                       // 禁止访问分频因子寄存器

U0IER = 0x05;                        // 允许接收和发送中断

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));    //软件复位CAN控制器

       while (SetErWarmVal (CanNum,USE_EWL_CAN[CanNum])); //设置错误警告寄存器

       while (SetCANBaudRate (CanNum,USE_BTR_CAN[CanNum]));      //初始化波特率

       VICDefVectAddr =(INT32U)CANIntPrg;  //初始化中断

       VICIntEnable |=(1<<19)|(1<<(20+ CanNum))|(1<<(26+ CanNum));

       CANIER(CanNum).Word= USE_INT_CAN[CanNum];                                                       while (SetTPMMOD(CanNum,USE_TPM_CAN[CanNum]));//设置发送优先模式寄存器

       while (SetLOMMOD(CanNum,USE_LOM_CAN[CanNum]));//设置只听模式寄存器

       CANRcvCyBufApp[CanNum].FullFlag = 0;                //初始化接收环形缓冲区

       CANRcvCyBufApp[CanNum].ReadPoint = 0;

       CANRcvCyBufApp[CanNum].WritePoint = 0;

       SoftEnCAN(CanNum); //软件启动CAN

}

3.2 RS485-CAN总线转换器数据转换原理

CAN的帧格式中，有一个标识符域。CAN控制器的全局滤波器会检测这个标识域，决定是否接收本帧数据。由于RS485网络上，所有节点都会同时收到数据，因此可以为所有的RS485从设备设定同一个标识符。一个CAN节点若要发送数据给RS485设备，只需在该帧把标识符域设定为相应的标识符即可。

RS485本质上仅仅是一个物理层标准，以字节为单位进行数据通讯，其帧格式完全由用户自己定义。然而最终，在RS485总线中最终信息的传输还是以帧为单位，其中包含了地址信息。RS485设备会自动根据接收到的帧，自动判断该帧是否发往本节点，然后做出相应处理。因此，在RS485设备要发送数据时，RS485-CAN总线转换器只需把RS485总线的数据帧打包入CAN的数据帧中，然后发送到CAN网络上；而RS485设备在接收数据时，RS485-CAN总线转换器则把RS485总线的数据帧从接收到的CAN数据帧中提取出来，发往RS485设备即可。

3.3 RS485设备数据接收中断程序

当RS485-CAN总线转换器收到CAN网络上发往RS485设备的数据帧时，即会触发CAN中断，进入数据接收中断服务程序，其流程图如图4（源程序略）：

3.4 RS485设备数据发送中断程序

当RS485-CAN总线转换器串口收到RS485设备发送的数据，即会触发串口中断，进入RS485设备数据发送中断程序。其流程图如图5（源程序略）：

图4： 数据接收中断程序流程图       

 图5： 数据发送中断程序流程图

4．结束语

本文设计的RS485-CAN总线转换器的电路简单可靠，操作方便。通过它，任何RS485设备都可以无需做任何修改就可以直接放到CAN网络中使用。在总线转换器的软件设计中一般应该遵守的一条原则是：不要将其功能设计的过于复杂。因为它的主要任务是将数据以最快的速度转发。至于流量和差错控制应由通信双方的应用层来完成。而本总线转换器的软件设计，很好地达到了这一要求。