基于USB的CAN總線適配器設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)總線作為二十世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新興技術(shù)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)已有了廣泛的應(yīng)用。在比較有影響力的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線中，CAN總線以其突出的優(yōu)點(diǎn)不僅大量應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，而且在樓宇自動(dòng)化、智能終端設(shè)備等民用領(lǐng)域也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。

現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要與計(jì)算機(jī)相結(jié)合。以往CAN總線網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)的連接采用RS232、ISA或PCI接口。但是隨著計(jì)算機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展，ISA接口已經(jīng)逐漸被淘汰；RS232接口數(shù)據(jù)傳輸率太低；PCI雖然仍是高速外設(shè)與計(jì)算機(jī)接口的主要渠道，但其主要缺點(diǎn)是占用有限的系統(tǒng)資源、設(shè)計(jì)復(fù)雜、需有高質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)程序保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，且無法用于便攜式計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展。隨著USB1.1、USB2.0規(guī)范的相繼制定，為外設(shè)與計(jì)算機(jī)的接口提出了新的發(fā)展方向。USB的主要特點(diǎn)有：外設(shè)安裝簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)熱插撥；通訊速率高，USB1.1全速傳送速率為12Mbps，與標(biāo)準(zhǔn)串行端口相比，大約快100倍；支持多設(shè)備連接；提供內(nèi)置電源。

本文給出一種在Windows2000下使用USB1.1協(xié)議實(shí)現(xiàn)CAN總線適配器的設(shè)計(jì)方法。整個(gè)設(shè)計(jì)主要開發(fā)適配器的固件及計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序，以達(dá)到用USB接口連接現(xiàn)場(chǎng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)的目的。

1 適配器硬件接口設(shè)計(jì)

適配器硬件電路由微控制器、CAN總線接口、USB總線接口和DC-DC隔離電源模塊等組成。原理框圖如圖1所示。

微控制器P89C51RD2是Philips公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型MCS-51兼容單片機(jī)，片內(nèi)集成64KB閃存和1KB擴(kuò)展RAM，雙數(shù)據(jù)指針，4級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，7個(gè)中斷

內(nèi)置看門狗，可編程時(shí)鐘輸出，在6時(shí)鐘模式下工作，速度是標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)的兩倍。此時(shí)外部最高頻率可達(dá)20MHz。在高速、大程序容量、中小規(guī)模數(shù)據(jù)處理場(chǎng)合是一款非常理想的單片機(jī)型。

CAN總線接口使用Philips公司的獨(dú)立CAN總線控制器SJA1000，并由光耦6N136進(jìn)行總線隔離。SJA1000是一種獨(dú)立控制器，用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制，符合CAN2.0A和2.0B規(guī)范，最高速率可在達(dá)1Mbps。CAN總線收發(fā)器采用PCA82C250。

PDIUSBD12是Philips公司推出的全速USB接口器件，完全兼容USB1.1規(guī)范。圖1中D+引腳信號(hào)電平通過器件SoftConnect命令內(nèi)部上拉，從而向主機(jī)表示為一個(gè)全速設(shè)備。EOT引腳自動(dòng)檢測(cè)USB接口的VBUS電壓以確定USB電纜是否連接到了主機(jī)。SUSPEND是雙向引腳，用以向微控制器指示器件是否掛起。當(dāng)有USB總線事件發(fā)生時(shí)，引腳向微控制器發(fā)出中斷信號(hào)。PDIUSBD12支持總線復(fù)用和非復(fù)用兩種并行接口模式，以方便連接不同類型的微控制器。圖1中采用總線復(fù)用方式，當(dāng)用奇數(shù)地址訪問PDIUSBD12時(shí)被認(rèn)為是命令，偶數(shù)地址訪問則被認(rèn)為是數(shù)據(jù)讀寫。

各器件都需要外部時(shí)鐘信號(hào)，而且它們自身也都有可編程的時(shí)鐘輸出功能，這就給系統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)計(jì)帶來了便利。圖1中微控制器6時(shí)鐘運(yùn)行模式下，外部為12MHz晶振。P89C51RD2的P1.1引腳產(chǎn)生6MHz方波作為PDIUSBD12的輸入時(shí)鐘；通過PDIUSBD12的SetMode寄存器編程使CLKOUT輸出時(shí)鐘頻率為24MHz，作為SJA1000的外部輸入時(shí)鐘。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括微控制器的固件設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)端USB驅(qū)動(dòng)程序兩部分。

2.1 微控制器固件編程

固件編程是USB數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中終端設(shè)備程序設(shè)計(jì)的一個(gè)重要概念。微控制器通過固件是程序與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。固件設(shè)計(jì)的目的是：使PDIUSBD12在USB上達(dá)到最大的傳輸速率；增加系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和硬件無關(guān)性。

固件要實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容：一是對(duì)SJA1000初始化，接收CAN總線送來的數(shù)據(jù)，收集CAN網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，并將主機(jī)的數(shù)據(jù)下發(fā)到CAN網(wǎng)絡(luò)；二是對(duì)PDIUSBD12初始化，完成USB總線連接過程，并組織CAN網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送。設(shè)計(jì)中采用KeilC51軟件編譯環(huán)境，C51和ASM混合編程方式。