淺析CAN總線與USB的轉接技術

USB總線就是一種新型、快速、雙向、同步傳輸、并可以熱插拔的數(shù)據(jù)傳輸總線，它滿足了人們對總線易用性、擴展能力強和低成本的要求，因此，USB在PC外設領域的傳輸速率從1.5Mbps的低速和12 Mbps的全速提高到如今的480 Mbps的高速數(shù)據(jù)傳輸。目前，USB總線已經(jīng)逐漸成為計算機領域中應用最廣泛的外設總線連接規(guī)范。

與此同時CAN(Controller Area Network)總線技術也日趨成熟，其傳輸距離遠，傳輸速率高，抗干擾能力強，易于組網(wǎng)，而且節(jié)約成本，已被公認為是最有前途的現(xiàn)場總線之一，并在國內外控制領域獲得了普遍重視。目前，德國現(xiàn)代汽車公司和歐洲其他幾個主要汽車公司的車內控制系統(tǒng)全部采用CAN總線，國內的很多工業(yè)控制系統(tǒng)，(如車載控制系統(tǒng)、醫(yī)療控制系統(tǒng)和很多智能小區(qū)中的智能控制系統(tǒng))都采用了CAN總線技術。隨著更加完善的CAN2.0B協(xié)議的提出，國外已有專家提出預言，CAN總線的應用壽命至少還有二十年。

雖然上述兩種總線的特點都比較突出，但二者在控制領域的應用仍有其自身局限性。USB的傳輸距離通常不超過幾十米，經(jīng)常達不到工業(yè)應用的要求；而CAN適配器與主機在傳統(tǒng)接口上的連接十分繁瑣和復雜，不利于CAN的應用擴展。所以，本設計考慮將傳輸距離較遠的CAN總線技術與即插即用的USB接口技術相結合，即利用USB接口方便的實現(xiàn)CAN總線和主機的連接，從而有力的擴展了CAN總線的監(jiān)控和管理功能，擴大CAN總線的應用范圍。

1 接口模塊的總體設計

本文所介紹的USB-CAN轉接技術總體框圖如圖1所示，該設計分兩大部分：一是與主機USB接口相連的USB控制部分；二是與CAN總線相連的CAN控制器部分。兩者中間通過單片機聯(lián)系起來。USB控制部分用USB接口控制芯片CH372來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；CAN控制器SJA1000用來實現(xiàn)CAN總線間的數(shù)據(jù)通信。單片機用來進行相應的控制、協(xié)調以及系統(tǒng)的通信。

2 AT89C52在系統(tǒng)中的功能

單片機AT89C52在系統(tǒng)中主要起到一個橋梁和協(xié)調控制的作用。主機通過CH372把數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機，單片機再把數(shù)據(jù)通過SJA1000發(fā)送到CAN總線，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的通信。此外，單片機還需要對CH372和SJA1000進行初始化，并通過地址／數(shù)據(jù)以復用的方式訪問CH372和SJA1000。由于在訪問其中一個芯片時，如果另一個芯片還保持有輸出，那么單片機就不能讀到正確的數(shù)據(jù)，因此，單片機要通過片選控制信號分配有效地址。單片機主要通過主循環(huán)來監(jiān)控系統(tǒng)的通信，其主循環(huán)流程圖見圖2所示。

3 USB控制部分

USB控制部分使用USB接口控制芯片CH372來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。CH372是一個USB總線的通用設備接口芯片，CH372在單片機端，具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，因此可以方便地掛接到單片機／DSP／MCU等控制器的系統(tǒng)總線上；在計算機系統(tǒng)中，CH372的配套軟件提供了簡潔易用的操作接口，因此，與本地端的單片機通訊就如同讀寫文件一樣簡單。

CH372在計算機端提供有應用層接口，應用層接口是由CH372動態(tài)鏈接庫DLL提供的面向功能應用的API，所有API在調用后都會有操作狀態(tài)返回，但不一定有應答數(shù)據(jù)。CH372動態(tài)鏈接庫提供的API包括：設備管理API、數(shù)據(jù)傳輸API、中斷處理API等。

在應用層設計中，筆者采用的是請求加應答的方式。該方式使用一個下傳的主動請求和一個上傳的被動應答進行交互式雙向數(shù)據(jù)通訊，下傳與上傳一一對應，相互關聯(lián)。主動請求是指由計算機應用層下傳給單片機的數(shù)據(jù)請求，被動應答則是單片機收到數(shù)據(jù)請求后，上傳給計算機應用層的應答數(shù)據(jù)。所有的通訊都由計算機應用層發(fā)起，然后以接收到單片機的應答結束，其完整的過程包括如下步驟：

(1) 計算機應用層按事先約定的格式將數(shù)據(jù)請求發(fā)送給CH372芯片；

(2) CH372芯片以中斷方式通知單片機；

(3) 單片機進入中斷服務程序，以獲取CH372的中斷狀態(tài)并分析；

(4) 如果是上傳，則釋放當前USB緩沖區(qū)，然后退出中斷程序；

(5) 如果是下傳，則從數(shù)據(jù)下傳緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)塊；

(6) 分析接收到的數(shù)據(jù)塊，準備應答數(shù)據(jù)，或者先退出中斷程序再處理；

(7) 單片機將應答數(shù)據(jù)寫入批量端點的上傳緩沖區(qū)，然后退出中斷程序；

(8) CH372芯片將應答數(shù)據(jù)返回給計算機；

(9) 計算機應用層接收到應答數(shù)據(jù)。

在單片機端，CH372芯片占用兩個地址位，當A0引腳為高電平時，系統(tǒng)選擇命令端口，此時可以寫入命令；當A0引腳為低電平時，選擇數(shù)據(jù)端口，此時可以讀寫數(shù)據(jù)。單片機通過8位并口對CH372芯片進行讀寫時，所有操作都是由一個命令碼、若干個輸人數(shù)據(jù)和若干個輸出數(shù)據(jù)組成。

但部分命令不需要輸入數(shù)據(jù)，而部分命令也可以沒有輸出數(shù)據(jù)。

CH372芯片專門用于處理USB通訊。在接收到數(shù)據(jù)或發(fā)送完數(shù)據(jù)后，CH372將以中斷方式通知單片機進行處理。單片機通過CH372接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖3所示。

4 CAN控制器部分

CAN控制器SJA1000可以通過總線驅動器PCA82C250接收CAN總線上的信號，并將其傳送到微控制器，同時接收微控制器傳來的信號，然后通過驅動器再傳送到CAN總線。

由于SJA1000與CH372的地址／數(shù)據(jù)總線共用，故應通過片選加以區(qū)別。操作時可將地址鎖存管腳ALE／AS與單片機的ALE／P相連接，WR和RD管腳分別與單片機的WR、RD相連接。MODE管腳拉高則選用INTEL模式。應用時應將中斷管腳INT與AT89C52的INT1相連，并接外部中斷1，同時應接上拉10 kΩ電阻。電源與地之間應連接去耦電容。

SJA1000的TX0和RX0管腳分別與驅動器82C250的TX和RX相連接，可用于向CAN總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。此時，需要將RX1管腳接到一個穩(wěn)定的電平上，并將系統(tǒng)中的RX1接地。

在CAN總線端，單片機控制著傳輸流程。SJA1000的初始化由單片機完成，其初始化流程圖見圖4所示，在正常工作模式下，單片機可控制SJA1000的收發(fā)等操作，以完成和CAN總線的通信。當主機端傳來數(shù)據(jù)時，單片機將數(shù)據(jù)轉發(fā)到SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)，并由SJA1000根據(jù)CAN協(xié)議自動封裝后發(fā)送到CAN總線上；當SJA1000接收到來自CAN總線上的一個有效的報文后，系統(tǒng)將在INT引腳上產生一個硬件中斷信號(低有效)，當單片機收到中斷信號后，即進人中斷服務程序，以完成數(shù)據(jù)的接收和處理，其中斷服務流程見圖5所示。

5 結束語

本文介紹的USB-CAN轉接系統(tǒng)可以實現(xiàn)預期的目標。它能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，從而為CAN總線和PC機的連接提供了一個方便實用的USB接口。

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