1 概述

　　電流環(huán)形式因較RS-485/RS-422總線形式連線復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為核心的分布式多機測控系統(tǒng)通信物理層的應用。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、后期維護成本高、網(wǎng)絡工程調(diào)試復雜、傳輸距離不理想、單總線可掛接節(jié)點少、應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行網(wǎng)絡通信，這對提高多機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。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標準)也可與單片機直接連接構(gòu)成一個高可靠、低成本、簡單實用、多機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國際標準;

　　·數(shù)據(jù)傳輸距離長(長達10km/5kb/s);

　　·數(shù)據(jù)傳輸速率高(高達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)絡設計，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

　　·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;

　　·具有抗總線短路保護能力;

　　·在特定的單線條件下仍可以保護總線正常工作;

　　·具有低電流待機模式;

　　·總線內(nèi)部配有電阻器網(wǎng)絡，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互連分布式測控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡，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)。

　　3 PCA82C250簡介

　　完全符合ISO11898國際標準的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。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，電路進入低電流待機狀態(tài)。在這種方式下，發(fā)送器被關閉，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)絡終端，在總線上需要加一個120Ω左右的匹配電阻。

　　4 應用實例

　　以Atmal AT89C55型單片機為例，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，相當于關閉總線)，這為具有“休眠”功能的系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡安全保障;當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VCC為5V時)、CANL輸出低電平(約1.5V,當Vcc為5V時)。顯然，在多主機條件下，“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，以裁決哪一個主設備應是下一個占有總線的設備。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RS上的電阻大于0.75CC時，PCA82C250芯片進入低功耗待機狀態(tài);當RS上的電壓小于0.3Vcc時，PCA82C250進入高速通信狀態(tài);當RS上的電壓處于0.4Vcc至0.6Vcc之間時，PCA82C250進入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，在軟件設計上對此應有所考慮。當然，這為多機通信系統(tǒng)中的總線數(shù)據(jù)沖突的軟件識別與仲裁提供了條件。

　　當需要MCU與通信網(wǎng)絡之間的電氣隔離時，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)絡之間的電氣隔離。

　　5 結(jié)論

　　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)，使多機互連的分布式測控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡性能得以提升。