RS-485和CAN网络总线的比较

摘 要：本文主要对RS-485和CAN两种网络总线性能进行了比较。通过比较分析之后，介绍了RS-485 总线网络与CAN-bus 总线网络的互联，并且预测CAN-bus总线网络完全替代RS-485总线网络。

关键词：RS-485网络总线 CAN总线 互联
Abstract: Mainly makes comparison with characteristic of RS-485 and CAN network bus, Introduces their connection between them and predicts that RS-485 network bus will be taken place by CAN-bus.
Key words: RS-485 network bus; CAN-bus; connection

1． 引言
1986年2月，Robert Bosch公司在SAE 汽车工程协会大会上介绍了一种新型的串行总线CAN控制器局域网，那是CAN 诞生的时刻。今天在欧洲几乎每一辆新客车均装配有CAN 局域网，同样CAN也用于其他类型的交通工具从火车到轮船或者用于工业控制。CAN 已经成为全球范围内最重要的总线之一，甚至领导着串行总线，在1999年接近6 千万个CAN 控制器投入应用，2000年市场销售超过1 亿个CAN 器件。但在国内，基于历史或者其他的原因，大多数的厂商工程师在设计产品工程立项时，第一想到的是应用RS-485总线系统。但是，随着社会的发展，对计算机控制要求越来越高，现场应用的条件越来越复杂，所以，CAN网络总线替代RS-485网络总线将成为历史的必然趋势。

2．RS-485和CAN网络总线性能比较
RS-485是一种半双工、全双工异步通信总线，是为弥补RS-232 通信距离短、速率低等缺点而产生的。RS-485只规定了平衡驱动器和接收器的电气特性，而没有规定接插件、传输电缆和应用层通信协议，因而在当时看来是一种相对经济、具有相当高噪声抑制、相对高的传输速率、传输距离远和宽共模范围的平台。RS-485总线上只能有一个主机，往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之间。但是，CAN-bus 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率、高抗电磁干扰性而且能够检测出产生的任何错误。CAN- bus总线在通信能力可靠性、实时性、灵活性、易用性、传输距离远、成本低等方面有着明显的优势，成为业界最有前途的现场总线之一。RS-485与CAN总线性能比较见表1：
通过表1比较可知：RS-485 网络除了硬件成本开发难度比CAN-bus 网络稍具优势外，其他性能方面都没有可比性。在产品更新速度特别快的今天，如果将产品的上市时间产品的后期维护、软件开发难度等计算在一起，RS-485 的硬件成本优势也变得不十分明显，因而用CAN 总线取代RS-485 总线是一种比较彻底的方案。


特性 RS-485 CAN-bus
成本 低廉 稍高，多20-30元/节点
总线利用率 低 高
网络特性 单主节点 多主节点
数据传输率 低 高
容错机制 无 可靠的错误处理和检错机制
通讯失败率 高 极低
节点错误的影响 导致整个网络瘫痪 无任何影响
通讯距离 <1.5Km 可达10Km（5Kbps）
网络调试 困难 容易
开发难度 简单 需要一定的技术基础
后期维护成本 很高 低
表1：RS-485与CAN-bus 优缺点比较

3. RS 485 总线网络与CAN-bus 总线网络的互联
一下子完全放弃RS-485 网络系统有困难的，尤其是在已经具有现成的硬件网络中。因此可以考虑一种折衷的、暂时的方法，就是在保留现有RS-485 系统硬件结构的基础上，添加一个CAN-bus 接口。这里，可以选择CAN485 智能转换器来实现RS-485 网络与CAN 网络的互联。CAN485 智能CAN 转换器用于实现CAN 总线接口和RS-485 总线接口之间的转换，可以很方便的使用在采用RS-485 接口的主机或从机(如现场控制单元智能网络节点等)， 这样，不需要改变已有的硬件结构即可使得设备获得CAN 的接口，实现基于CAN 网的网络数据和命令的传输，也可用于连接CAN 网络和RS-485 网络解决了不同网络终端设备的互连问题，适用于原有RS-485 网络到CAN 网络升级。-
如图1所示，利用CAN485智能CAN 转化器，实现了RS-485 网络CAN-bus 网络的数据互换。但是作为一种过渡性的方案，系统性能受限于RS-485 网络，并不能充分体现CAN-bus 系统优越的性能。该方案仅仅适合那些在新旧系统并存、性能要求不高、新系统与旧系统有相同运行机制的地方。

插图1 CAN485 智能转换器应用图示

4．CAN-bus总线网络完全替代RS-485总线网络
对于系统性能实时性、可靠性要求高的场合，可以考虑完全摒弃RS-485 系统来构建一个新的CAN-bus 系统。构建CAN bus 系统需要考虑网络布局、节点电路的设计等。

4 .1 CAN-bus总线网络布局
于CAN-bus与RS-485在电气特性、网络拓扑、传播媒体等有太多相似的地方,所以CAN-bus网络替换RS-485 网络是非常方便节省成本的。图2和图3分别为CAN-bus和RS-485 的电气连接图。

插图2 CAN-bus的电气连接图


插图3 RS-485典型的二线制网络连接图
从上图比较可知CAN与RS-485的网络拓扑一般都采用终端匹配的总线型结构，而且也都没有规定总线电缆的机械和材料参数。如果RS-485 的传播媒体是光纤，那么原有的网络布局不需要作任何改动（包括网线），只需要用CAN节点来替换RS-485节点即可；但是如果是应用双绞线（屏蔽或不屏蔽），则CAN网络必须要满足如表2所示的物理媒体参数。如果旧的RS-485网络的双绞线（屏蔽或不屏蔽）不符合表中的参数，为了获得最佳的系统性能，那只有重新铺设网络电缆，并用CAN节点来替换RS-485 节点。实际的RS-485系统中，大多数双绞线的阻抗特性在102至120之间。如果系统中应用的波特率不是很高、传输距离不是很远，则可以保留原有的网络电缆，要注意网络两端的终端电阻值为120左右。

参数 标志 单位 最小值 标称值 最大值 条件
阻抗 Z
108 120 132 单线之间
与长度有关的电阻 r
70
规定线延迟 ns/m
0 5 位时间＋接收、发送延迟
表2 符合CAN 网络的双线屏蔽或不屏蔽的物理媒体参数

4 .2 CAN-bus 总线节点设计
任何CAN 节点至少要包括微控制器（MCU）、CAN 协议控制器、CAN 收发器三部分。随着CAN技术的普及，CAN 器件的种类也越来越丰富，有许多的MCU 、DSP 中都集成了CAN 协议控制器，根据不同的需要可以选择不同的器件。如果有特别的需要，在CAN 收发器与总线之间或者是CAN 协议控制器与CAN 收发器之间加入光电隔离，以提高系统的抗干扰能力。对于节点性能要求比较高的场合，CAN-bus 部分选择独立的CAN 控制器SJA1000，微处理器则可以灵活选择各种高速器件如高速51 、ARM 、DSP 、PowerPC X86 等以适应不同的应用环境。图4 描述了P87C52X2在CAN-bus 节点中的经典应用。

插图4
5．结语
总之，较之RS-485，CAN-bus网络总线是一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，已被广泛应用到各个自动化控制系统中从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN-bus 例如在汽车电子、自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等各领域CAN-bus都具有不可比拟的优越性。由于RS-485网络总线自身的缺点存在，随着计算机网络的发展，RS-485网络总线将完全被CAN-bus取而代之。

参考文献：
1．周立功 真强型80C51单片机速成与实战 北京航空航天大学出版社,2003.7
2 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计.北京航空航天大学出版社,1996
3(日)宫崎诚一著微型计算机数据传输基础与实践:RS232/高级规程/远程技术人民邮电出版社,1990
4 PHILIPS SJA1000 stand-alone CAN controller product specification, 2000 Jan 04