基于ARM Cortex3的低功耗無源USB-CAN透明傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

4.1.2 關于CAN控制器的配置程序設計

根據(jù)CAN2.0協(xié)議，CAN總線報文的發(fā)送和接收需要進行一系列配置，圖2為CAN報文發(fā)送接受配置流程圖。

4.2 USB通信相關

4.2.1 LM3S5956微處理器的USB控制器

LM3S5956微處理器的USB控制器支持USB Host/Device/OTG功能，可運行在全速和低速模式。它符合USB2.0標準，包含掛起和喚醒信號。它包含32個端點，其中包含2個用于控制傳輸?shù)膶Ｓ眠B接端點(一個用于輸入，一個用于輸出)，其他30個端點帶有可軟件動態(tài)定義大小的FIFO并以支持多包隊列。FIFO支持DMA，可有效降低系統(tǒng)資源的占用。USB Device啟動方式靈活，可軟件控制是否在啟動時連接。USB控制器遵從OTG標準的會話請求協(xié)議(SRP)和主機協(xié)商協(xié)議(HNP)。

LM3S5956微處理器的芯片供應商TI公司提供了一套完整的USB開發(fā)解決方案(USBLIB)，極大地縮短了用戶的開發(fā)周期，本項目將采用USBLIB中的USB虛擬串口方式進行數(shù)據(jù)傳輸，這樣，上位機驅動包的支持下，可以通過串口調試工具直接對USB的數(shù)據(jù)進行讀寫。在USB虛擬串口的方案中，USB通信模塊主要分為USB驅動、USB虛擬串口應用層、用戶應用層三部分。

根據(jù)USB協(xié)議，本項目中的USB通信模塊屬于從USB設備，USB驅動的設計主要包括以下函數(shù)的定義：返回從站地址函數(shù)、配置從站地址函數(shù)、USB控制器連接函數(shù)、USB控制器關閉函數(shù)、端點配置函數(shù)、數(shù)據(jù)應答函數(shù)、端點停止函數(shù)、端點啟動函數(shù)、端點狀態(tài)清除函數(shù)、端點數(shù)據(jù)獲取函數(shù)、端點數(shù)據(jù)賦予函數(shù)、端點傳輸啟動函數(shù)、端點狀態(tài)返回函數(shù)。

USB虛擬串口應用層介于用戶應用層和USB驅動層之間，是目前最流行的USB應用層協(xié)議之一，其最大的特點就是可以模擬串口的數(shù)據(jù)傳輸方式，還可以保證實時性和準確性。適合傳輸較為簡短的數(shù)據(jù)。而CAN報文的數(shù)據(jù)域最長只有8個字節(jié)，所以USB虛擬串口協(xié)議非常適合轉發(fā)CAN報文數(shù)據(jù)。虛擬串口協(xié)議主要包括以下函數(shù)的定義：虛擬串口初始化函數(shù)、虛擬串口數(shù)據(jù)包讀取函數(shù)、虛擬串口數(shù)據(jù)包寫入函數(shù)。

用戶應用層主要包括USB枚舉常量的定義、虛擬串口設備定義、發(fā)送和接收緩沖區(qū)定義、虛擬串口通信參數(shù)設置函數(shù)、虛擬串口通信參數(shù)獲取函數(shù)、設備控制中斷函數(shù)、數(shù)據(jù)接收中斷函數(shù)、數(shù)據(jù)發(fā)送中斷函數(shù)。

4.2.2 程序邏輯

在USB虛擬串口設備的軟件結構中，TI提供的USBlib庫已經實現(xiàn)了大部分工作，只需要實現(xiàn)三個和USB設備相關的回調函數(shù)就可以了。這三個函數(shù)分別為：

USBControlHandler：處理和控制端口相關的事件

USBRxHandler：處理和接收端口相關的事件

USBTxHanler：處理和發(fā)送端口相關的事件

在控制端口處理函數(shù)中，主要處理設備連接、設備斷開、掛起中斷、喚醒中斷等事件。

4.3 主程序設計

為保證數(shù)據(jù)透傳的實時性，雙向數(shù)據(jù)包均采用中斷的方式進行轉發(fā)，即在CAN接受中斷發(fā)生之后，立即將數(shù)據(jù)包轉發(fā)至USB發(fā)送緩沖區(qū);在USB接收中斷發(fā)生以后，立即將數(shù)據(jù)包轉發(fā)至CAN發(fā)送緩沖區(qū)，保證了數(shù)據(jù)的實時性和完全透明傳輸。如圖3為CAN中斷服務函數(shù)。

4.4 開發(fā)平臺與功能測試

本項目的軟件交叉編譯平臺為WINDOWS XP平臺下的MDK4.0編譯器，下載仿真器為JLINK V8。

按照圖4所示方式進行連線，在上位PC機安裝USB虛擬串口支持包之后，打開串口調試助手，進行相關串口參數(shù)配置之后，就可以很方便地進行數(shù)據(jù)的雙向收發(fā)測試。

5 功能拓展與前瞻

從OSI網(wǎng)絡模型的角度來看，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡一般只實現(xiàn)了第1層(物理層)、第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)、第7層(應用層)。因為現(xiàn)場總線通常只包括一個網(wǎng)段，因此不需要第3層(傳輸層)和第4層(網(wǎng)絡層)，也不需要第5層(會話層)，第6層(描述層)的作用。

CAN2.0協(xié)議只定義物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，沒有規(guī)定應用層，本身并不完整，需要一個高層協(xié)議來定義CAN報文中的11/29位標識符、8字節(jié)數(shù)據(jù)的使用。而且，基于CAN總線的工業(yè)自動化應用中，越來越需要一個開放的、標準化的高層協(xié)議：這個協(xié)議支持各種CAN廠商設備的互用性、互換性，能夠實現(xiàn)在CAN網(wǎng)絡中提供標準的、統(tǒng)一的系統(tǒng)通訊模式，提供設備功能描述方式，執(zhí)行網(wǎng)絡管理功能。其中應用層可以為網(wǎng)絡中每一個有效設備都能夠提供一組有用的服務與協(xié)議。

本項目中的USB—CAN透明傳輸卡只實現(xiàn)了對于CAN總線協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，為了實現(xiàn)更高層次的應用，可以考慮將流行歐洲的CAN總線應用層協(xié)議CANopen與USB—CAN透明傳輸協(xié)議軟件模塊進行整合，開發(fā)一個以PC作為上位機的CANopen主站，或者以USB設備為下位機的一個CANopen從站，如果能夠實現(xiàn)，將會極大地豐富本項目在工業(yè)場合的應用。