USB-CAN轉(zhuǎn)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

USB(Universal Serial Bus)是一種通用串行總線。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，人們對(duì)串行總線提出了更高的要求。因此，開(kāi)發(fā)一種兼容低速和高速的技術(shù)，從而為廣大用戶提供一種可共享、可擴(kuò)充、使用方便的串行總線已成為眾多廠商的共同目標(biāo)。

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(duì)總線易用性、擴(kuò)展能力強(qiáng)和低成本的要求，因此，USB在PC外設(shè)領(lǐng)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(jì)算機(jī)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的外設(shè)總線連接規(guī)范。

與此同時(shí)CAN(Controller Area Network)總線技術(shù)也日趨成熟，其傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸速率高，抗干擾能力強(qiáng)，易于組網(wǎng)，而且節(jié)約成本，已被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，并在國(guó)內(nèi)外控制領(lǐng)域獲得了普遍重視。目前，德國(guó)現(xiàn)代汽車公司和歐洲其他幾個(gè)主要汽車公司的車內(nèi)控制系統(tǒng)全部采用CAN總線，國(guó)內(nèi)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(shù)。隨著更加完善的CAN2.0B協(xié)議的提出，國(guó)外已有專家提出預(yù)言，CAN總線的應(yīng)用壽命至少還有二十年。

雖然上述兩種總線的特點(diǎn)都比較突出，但二者在控制領(lǐng)域的應(yīng)用仍有其自身局限性。USB的傳輸距離通常不超過(guò)幾十米，經(jīng)常達(dá)不到工業(yè)應(yīng)用的要求;而CAN適配器與主機(jī)在傳統(tǒng)接口上的連接十分繁瑣和復(fù)雜，不利于CAN的應(yīng)用擴(kuò)展。所以，本設(shè)計(jì)考慮將傳輸距離較遠(yuǎn)的CAN總線技術(shù)與即插即用的USB接口技術(shù)相結(jié)合，即利用USB接口方便的實(shí)現(xiàn)CAN總線和主機(jī)的連接，從而有力的擴(kuò)展了CAN總線的監(jiān)控和管理功能，擴(kuò)大CAN總線的應(yīng)用范圍。

1 接口模塊的總體設(shè)計(jì)

本文所介紹的USB-CAN轉(zhuǎn)接技術(shù)總體框圖如圖1所示，該設(shè)計(jì)分兩大部分：一是與主機(jī)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(guò)單片機(jī)聯(lián)系起來(lái)。USB控制部分用USB接口控制芯片CH372來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送;CAN控制器SJA1000用來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN總線間的數(shù)據(jù)通信。單片機(jī)用來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的控制、協(xié)調(diào)以及系統(tǒng)的通信。

2 AT89C52在系統(tǒng)中的功能

單片機(jī)AT89C52在系統(tǒng)中主要起到一個(gè)橋梁和協(xié)調(diào)控制的作用。主機(jī)通過(guò)CH372把數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)再把數(shù)據(jù)通過(guò)SJA1000發(fā)送到CAN總線，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的通信。此外，單片機(jī)還需要對(duì)CH372和SJA1000進(jìn)行初始化，并通過(guò)地址/數(shù)據(jù)以復(fù)用的方式訪問(wèn)CH372和SJA1000。由于在訪問(wèn)其中一個(gè)芯片時(shí)，如果另一個(gè)芯片還保持有輸出，那么單片機(jī)就不能讀到正確的數(shù)據(jù)，因此，單片機(jī)要通過(guò)片選控制信號(hào)分配有效地址。單片機(jī)主要通過(guò)主循環(huán)來(lái)監(jiān)控系統(tǒng)的通信，其主循環(huán)流程圖見(jiàn)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(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。CH372是一個(gè)USB總線的通用設(shè)備接口芯片，CH372在單片機(jī)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(jī)/DSP/MCU等控制器的系統(tǒng)總線上;在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CH372的配套軟件提供了簡(jiǎn)潔易用的操作接口，因此，與本地端的單片機(jī)通訊就如同讀寫文件一樣簡(jiǎn)單。

CH372在計(jì)算機(jī)端提供有應(yīng)用層接口，應(yīng)用層接口是由CH372動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL提供的面向功能應(yīng)用的API，所有API在調(diào)用后都會(huì)有操作狀態(tài)返回，但不一定有應(yīng)答數(shù)據(jù)。CH372動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)提供的API包括：設(shè)備管理API、數(shù)據(jù)傳輸API、中斷處理API等。

在應(yīng)用層設(shè)計(jì)中，筆者采用的是請(qǐng)求加應(yīng)答的方式。該方式使用一個(gè)下傳的主動(dòng)請(qǐng)求和一個(gè)上傳的被動(dòng)應(yīng)答進(jìn)行交互式雙向數(shù)據(jù)通訊，下傳與上傳一一對(duì)應(yīng)，相互關(guān)聯(lián)。主動(dòng)請(qǐng)求是指由計(jì)算機(jī)應(yīng)用層下傳給單片機(jī)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，被動(dòng)應(yīng)答則是單片機(jī)收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，上傳給計(jì)算機(jī)應(yīng)用層的應(yīng)答數(shù)據(jù)。所有的通訊都由計(jì)算機(jī)應(yīng)用層發(fā)起，然后以接收到單片機(jī)的應(yīng)答結(jié)束，其完整的過(guò)程包括如下步驟：

(1) 計(jì)算機(jī)應(yīng)用層按事先約定的格式將數(shù)據(jù)請(qǐng)求發(fā)送給CH372芯片;

(2) CH372芯片以中斷方式通知單片機(jī);

(3) 單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)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(dāng)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(zhǔn)備應(yīng)答數(shù)據(jù)，或者先退出中斷程序再處理;

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

(8) CH372芯片將應(yīng)答數(shù)據(jù)返回給計(jì)算機(jī);

(9) 計(jì)算機(jī)應(yīng)用層接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)。

在單片機(jī)端，CH372芯片占用兩個(gè)地址位，當(dāng)A0引腳為高電平時(shí)，系統(tǒng)選擇命令端口，此時(shí)可以寫入命令;當(dāng)A0引腳為低電平時(shí)，選擇數(shù)據(jù)端口，此時(shí)可以讀寫數(shù)據(jù)。單片機(jī)通過(guò)8位并口對(duì)CH372芯片進(jìn)行讀寫時(shí)，所有操作都是由一個(gè)命令碼、若干個(gè)輸人數(shù)據(jù)和若干個(gè)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(méi)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(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)通過(guò)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(guò)總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250接收CAN總線上的信號(hào)，并將其傳送到微控制器，同時(shí)接收微控制器傳來(lái)的信號(hào)，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)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(yīng)通過(guò)片選加以區(qū)別。操作時(shí)可將地址鎖存管腳ALE/AS與單片機(jī)的ALE/P相連接，WR和RD管腳分別與單片機(jī)的WR、RD相連接。MODE管腳拉高則選用INTEL模式。應(yīng)用時(shí)應(yīng)將中斷管腳INT與AT89C52的INT1相連，并接外部中斷1，同時(shí)應(yīng)接上拉10 kΩ電阻。電源與地之間應(yīng)連接去耦電容。

SJA1000的TX0和RX0管腳分別與驅(qū)動(dòng)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(shí)，需要將RX1管腳接到一個(gè)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(jī)控制著傳輸流程。SJA1000的初始化由單片機(jī)完成，其初始化流程圖見(jiàn)圖4所示，在正常工作模式下，單片機(jī)可控制SJA1000的收發(fā)等操作，以完成和CAN總線的通信。當(dāng)主機(jī)端傳來(lái)數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)，并由SJA1000根據(jù)CAN協(xié)議自動(dòng)封裝后發(fā)送到CAN總線上;當(dāng)SJA1000接收到來(lái)自CAN總線上的一個(gè)有效的報(bào)文后，系統(tǒng)將在INT引腳上產(chǎn)生一個(gè)硬件中斷信號(hào)(低有效)，當(dāng)單片機(jī)收到中斷信號(hào)后，即進(jìn)人中斷服務(wù)程序，以完成數(shù)據(jù)的接收和處理，其中斷服務(wù)流程見(jiàn)圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的USB-CAN轉(zhuǎn)接系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，從而為CAN總線和PC機(jī)的連接提供了一個(gè)方便實(shí)用的USB接口。