1 概述
電流環形式因較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通信物理層的應用。但隨著科技的發展，RS-485總線的總線效率低、系統實時性差、通訊可靠性低、后期維護成本高、網絡工程調試復雜、傳輸距離不理想、單總線可掛接節點少、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絡通信，這對提高多機互連的分布式測控系統的可靠性具有重大意義。
與其他現場總線相比，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勢，成為控制等領域最有前途的現場總線之一。對于CAN總線的物理層接口，現有大多是CAN總線物理層接口電路與CAN總線控制器連接構成的CAN總線通信網絡。經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。
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)具有如下優點：
·完全符合ISO11898國際標準;
·數據傳輸距離長(長達10km/5kb/s);
·數據傳輸速率高(高達1Mb/s/40m);
·CAN總線中的總線數值為二種互補邏輯“顯性”或“隱性”位數值;
·可實現多主式通信網絡設計，信號在總線上通過“線與”可實現非破壞性總線仲裁;
·無發送、接收轉換控制引腳;
·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;
·總線內部配有電阻器網絡，無需外部上、下位電阻器;
·未上電的節點對總線無影響;
·至少可以連接110節點。
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的通信網絡，可以克服RS-485總線的固有缺陷，充分利用CAN總線物理層的優勢，能以簡單的形式、較低的價格、較高的性能構造出極具競爭力的分布式測控系統。
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：欲發送數據的輸入端;
2腳：電源地端;
3腳：電源端;
4腳：接收數據的輸出端;
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可以提供對總線數據的差動發送能力和對通信總線數據的差動接收能力。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，用于控制發送數據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。在這種方式下，發送器被關閉，接收器轉至低電流工作，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送的硬件轉換控制，僅由軟件來控制接浮時，CAN總線表現為“隱性”位數值，即CANH和CANL為懸浮態(VCAHN≈CANL≈VCC/2，相當于關閉總線)，這為具有“休眠”功能的系統提供了網絡安全保障;當TXD端輸入為低電平時，CAN總線表現為“顯性”位數值(向總線傳送有效數據位)，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;當RS上的電壓小于0.3Vcc時，PCA82C250進入高速通信狀態;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，其斜率大小與RS上的電壓成正比。
圖2中，二個通信系統的軟件幾乎相同。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總線在總線發送時，由于發送、接收控制端已連接在一起，即自動關閉了總線數據接收功能，而CAN總線接口在總線數據發送的同時也在進行總線數據的接收(CAN總線接口不提供通信接收、發送數據的分離控制功能)，因此，在軟件設計上對此應有所考慮。當然，這為多機通信系統中的總線數據沖突的軟件識別與仲裁提供了條件。
當需要MCU與通信網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MCU與通信網絡之間的電氣隔離。
5 結論
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多主式多機數據通信，充分利用了CAN總線物理層的優勢。在硬件方面，能夠以簡單的形式、較低的價格、較高的性能構造出極具競爭力的分布式測控系統，使多機互連的分布式測控系統的通信網絡性能得以提升。