基于ARM的低功耗無源USB-CAN透明傳輸?shù)脑O(shè)計

摘要：為了建立良好的CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信人機界面，可以通過通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的透明傳輸，使PC機通過USB接口接入CAN通信網(wǎng)絡(luò)，成為CAN總線網(wǎng)絡(luò)的一個通信節(jié)點，方便對CAN通信網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控和管理。

1 技術(shù)背景

近年來，隨著工業(yè)場合自動化技術(shù)的不斷更新，工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備控制已經(jīng)成為電子工程師研究的重要課題。為了建立良好的CAN總線通信人機界面，可以通過通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的透明傳輸，使PC機通過USB接口接入CAN通信網(wǎng)絡(luò)，成為CAN總線網(wǎng)絡(luò)的一個通信節(jié)點，方便對CAN通信網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控和管理。本文介紹了基于ARM Cortex3的USB—CAN透明傳輸?shù)囊话闼悸泛蛙浻布O(shè)計方法。

1.1 CAN總線協(xié)議

CAN總線是一種現(xiàn)場總線協(xié)議，目前在國內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用和深入的研究。與其他工業(yè)現(xiàn)場總線相比，CAN總線具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多優(yōu)點，目前已經(jīng)成為工業(yè)現(xiàn)場總線的一種重要標(biāo)準(zhǔn)，在工業(yè)現(xiàn)場受到了廣泛的應(yīng)用，展現(xiàn)出強勁的市場競爭力。

CAN總線協(xié)議具有完整的解決工業(yè)現(xiàn)場通信的技術(shù)手段，其在技術(shù)運用中具有以下優(yōu)勢：

(1)各類數(shù)據(jù)幀的建立方便，功能明晰。

(2)同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點數(shù)多，能夠滿足絕大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)對節(jié)點數(shù)量的需求。

(3)成熟的節(jié)點標(biāo)識符機制及總線結(jié)構(gòu)，可滿足在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。

(4)信號的傳輸為差分方式，布線結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。

(5)在保證傳輸速率的前提下具有較大的傳輸距離。

(6)控制芯片完全商品化，可靠性高。芯片內(nèi)部集成了錯誤監(jiān)測機制和管理模塊，具有極強的抗干擾能力。

1.2 USB通信協(xié)議

USB的全稱為“通用串行總線”。是一個外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范PC機與外部設(shè)備的連接和通訊。其最大的特點是支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB版本經(jīng)歷了多年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展為3.1版本，成為當(dāng)前PC機中的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口。

USB總線的終端分為主機和設(shè)備。設(shè)備通過枚舉的方式與主機連接。USB支持四種基本的數(shù)據(jù)傳輸模式：控制傳輸，等時傳輸，中斷傳輸及數(shù)據(jù)塊傳輸。根據(jù)不同的用途，選擇不同的傳輸模式。根據(jù)工業(yè)場合CAN總線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)對象的特點，本項目中的USB—CAN透明傳輸卡將采用中斷的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)開發(fā)概述

2.1 本技術(shù)在CAN通信網(wǎng)絡(luò)中的運用

在CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)中，各個通信節(jié)點通過總線的形式相連，USB—CAN透明傳輸卡的一端接入CAN總線，另外一端連接PC機。通過USB—CAN卡的透傳功能，PC機在CAN通信網(wǎng)絡(luò)中完全等同于一個普通的通信節(jié)點，實現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控和管理。

2.2 開發(fā)需求概述

本項目開發(fā)的上位機平臺是WINDOWS系統(tǒng)下的MDK開發(fā)編譯環(huán)境。硬件平臺為具有很強低功耗和處理能力的ARM Cortex3內(nèi)核LM3S5956微處理器。為方便通信測試，上位機需要安裝相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件。

3 硬件設(shè)計

硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要分為微處理器、接口及電源三部分。

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LM3S5956微處理器作為數(shù)據(jù)處理的核心部件，其功能就是將USB和CAN接口接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)發(fā)，與其他處理器相比，該處理器內(nèi)置CAN控制器和USB控制器，引腳較少，在保證低功耗的前提下具有較強的數(shù)據(jù)處理能力。

在接口方面，由于CAN總線物理層信號為差分的形式(CAN_H和CAN_L)，所以需要增加CAN物理層芯片(CAN收發(fā)器)來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本項目所采用的CAN物理層芯片為TJA1040。USB總線為4芯，其中包含兩路信號線(USB-DP和USBDM)、+5 V電源和GND。

USB—CAN透明傳輸卡的供電方式是本項目設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，PC機的USB總線中有兩路電源信號分別為+5 V和GND，通?？梢蕴峁┑淖畲箅娏鳛?00 mA，由于采用了低功耗微處理器和CAN收發(fā)器，500 mA的電流完全可以滿足USB—CAN透明傳輸卡的功耗需求，所以本項目通過從PC機的USB接口“取電”，達(dá)到了真正的“無源”方式，大大節(jié)省了USB-CAN透明傳輸卡的成本和體積，使用更加方便。由于LM3S5956微處理器采用3.3 V供電，所以只需要在電路設(shè)計中，增加一個5 V-3.3 V電源芯片即可。

由于采用了內(nèi)置CAN控制器和USB控制器的低功耗ARM Cortex3微處理器和方便靈活的USB供電方式，整個USB—CAN透明傳輸卡的硬件非常小巧，在環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)通信場合，具有很高的實用性。

4 軟件設(shè)計

4.1 CAN通信相關(guān)

4.1.1 LM3S5956微處理器的CAN控制器

LM3S5956微處理器內(nèi)置了CAN控制器模塊，該模塊支持CAN 2.0 A/B協(xié)議。支持包括具有11位標(biāo)識符(標(biāo)準(zhǔn)幀)或29位標(biāo)識符(擴(kuò)展幀)的數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀以及超載幀的報文傳輸。傳輸速率可以通過編程配置，CAN模塊主要由3個部件組成：

(1)CAN協(xié)議控制器和報文處理器

(2)報文存儲器

(3)CAN寄存器接口

協(xié)議控制器從CAN總線傳輸和接收串行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞到報文處理器。接著，報文處理器根據(jù)當(dāng)前的濾波和報文對象存儲器中的標(biāo)識符，將該信息載入合適的報文對象。報文處理器還負(fù)責(zé)根據(jù)CAN總線上的事件來產(chǎn)生中斷。

報文對象存儲器由32個相同的存儲塊組成，這些存儲塊保存了每個報文對象當(dāng)前的配置信息、狀態(tài)和實際數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^CAN報文對象寄存器接口來訪問報文對象存儲器。

CAN報文對象寄存器接口提供了兩個寄存器組來與報文對象通信。由于不能直接訪問報文對象存儲器，所以必須使用這兩個接口來讀寫各個報文對象。當(dāng)多個對象包含需要處理的新信息時，這兩個報文對象接口允許并行訪問CAN控制器報文對象。

為滿足CAN2.0的基本通信，需要進(jìn)行驅(qū)動程序和用戶應(yīng)用程序兩個層次的程序設(shè)計。驅(qū)動程序主要包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義和API函數(shù)的設(shè)計。需要定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有時鐘配置結(jié)構(gòu)體和CAN消息對象結(jié)構(gòu)體。本項目中需要完成的API函數(shù)有：波特率配置函數(shù)、波特率配置信息獲取函數(shù)、CAN控制器使能函數(shù)、CAN控制器關(guān)閉函數(shù)、CAN控制器初始化函數(shù)、CAN中斷使能函數(shù)、CAN中斷關(guān)閉函數(shù)、CAN中斷標(biāo)志清除函數(shù)、CAN中斷狀態(tài)獲取函數(shù)、報文對象清除函數(shù)、讀取報文對象函數(shù)、配置報文對象函數(shù)。應(yīng)用程序主要包括CAN報文發(fā)送函數(shù)設(shè)計、CAN報文接收配置函數(shù)、CAN中斷服務(wù)函數(shù)設(shè)計。