基于ARM的低功耗無源USB-CAN透明傳輸?shù)脑O(shè)計

4.1.2 關(guān)于CAN控制器的配置程序設(shè)計

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

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4.2 USB通信相關(guān)

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(yùn)行在全速和低速模式。它符合USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，包含掛起和喚醒信號。它包含32個端點(diǎn)，其中包含2個用于控制傳輸?shù)膶Ｓ眠B接端點(diǎn)(一個用于輸入，一個用于輸出)，其他30個端點(diǎn)帶有可軟件動態(tài)定義大小的FIFO并以支持多包隊(duì)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(biāo)準(zhǔn)的會話請求協(xié)議(SRP)和主機(jī)協(xié)商協(xié)議(HNP)。

LM3S5956微處理器的芯片供應(yīng)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(xiàng)目將采用USBLIB中的USB虛擬串口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這樣，上位機(jī)驅(qū)動包的支持下，可以通過串口調(diào)試工具直接對USB的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫。在USB虛擬串口的方案中，USB通信模塊主要分為USB驅(qū)動、USB虛擬串口應(yīng)用層、用戶應(yīng)用層三部分。

根據(jù)USB協(xié)議，本項(xiàng)目中的USB通信模塊屬于從USB設(shè)備，USB驅(qū)動的設(shè)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(guān)閉函數(shù)、端點(diǎn)配置函數(shù)、數(shù)據(jù)應(yīng)答函數(shù)、端點(diǎn)停止函數(shù)、端點(diǎn)啟動函數(shù)、端點(diǎn)狀態(tài)清除函數(shù)、端點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取函數(shù)、端點(diǎn)數(shù)據(jù)賦予函數(shù)、端點(diǎn)傳輸啟動函數(shù)、端點(diǎn)狀態(tài)返回函數(shù)。

USB虛擬串口應(yīng)用層介于用戶應(yīng)用層和USB驅(qū)動層之間，是目前最流行的USB應(yīng)用層協(xié)議之一，其最大的特點(diǎn)就是可以模擬串口的數(shù)據(jù)傳輸方式，還可以保證實(shí)時性和準(zhǔn)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(zhuǎn)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(yīng)用層主要包括USB枚舉常量的定義、虛擬串口設(shè)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(shè)置函數(shù)、虛擬串口通信參數(shù)獲取函數(shù)、設(shè)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(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)中，TI提供的USBlib庫已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大部分工作，只需要實(shí)現(xiàn)三個和USB設(shè)備相關(guān)的回調(diào)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(guān)的事件

USBRxHandler：處理和接收端口相關(guān)的事件

USBTxHanler：處理和發(fā)送端口相關(guān)的事件

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

4.3 主程序設(shè)計

為保證數(shù)據(jù)透傳的實(shí)時性，雙向數(shù)據(jù)包均采用中斷的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，即在CAN接受中斷發(fā)生之后，立即將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)至CAN發(fā)送緩沖區(qū)，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時性和完全透明傳輸。如圖3為CAN中斷服務(wù)函數(shù)。

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4.4 開發(fā)平臺與功能測試

本項(xiàng)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(jìn)行連線，在上位PC機(jī)安裝USB虛擬串口支持包之后，打開串口調(diào)試助手，進(jìn)行相關(guān)串口參數(shù)配置之后，就可以很方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向收發(fā)測試。

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5 功能拓展與前瞻

從OSI網(wǎng)絡(luò)模型的角度來看，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)一般只實(shí)現(xiàn)了第1層(物理層)、第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)、第7層(應(yīng)用層)。因?yàn)楝F(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(luò)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(yīng)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(biāo)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(yīng)用中，越來越需要一個開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的高層協(xié)議：這個協(xié)議支持各種CAN廠商設(shè)備的互用性、互換性，能夠?qū)崿F(xiàn)在CAN網(wǎng)絡(luò)中提供標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一的系統(tǒng)通訊模式，提供設(shè)備功能描述方式，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理功能。其中應(yīng)用層可以為網(wǎng)絡(luò)中每一個有效設(shè)備都能夠提供一組有用的服務(wù)與協(xié)議。

本項(xiàng)目中的USB—CAN透明傳輸卡只實(shí)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(shí)現(xiàn)更高層次的應(yīng)用，可以考慮將流行歐洲的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議CANopen與USB—CAN透明傳輸協(xié)議軟件模塊進(jìn)行整合，開發(fā)一個以PC作為上位機(jī)的CANopen主站，或者以USB設(shè)備為下位機(jī)的一個CANopen從站，如果能夠?qū)崿F(xiàn)，將會極大地豐富本項(xiàng)目在工業(yè)場合的應(yīng)用。