CP2102與C8051F040的USB-CAN轉(zhuǎn)換器設(shè)計
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CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))總線是德國Bosch公司在20世紀80年代初為解決汽車中眾多控制與測試儀器間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，主要用于各種設(shè)備檢測及控制。CAN總線是一種多主機控制局域網(wǎng)標準，具有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、多主節(jié)點、無損仲裁、高可靠性及擴充性能好等特點，能有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)。一方面，其通信方式靈活，可實現(xiàn)多主方式工作，還可實現(xiàn)點對點、點對多點等多種數(shù)據(jù)收發(fā)方式；另一方面，它能在相對較大的距離間進行較高位速率的數(shù)據(jù)通信。因此無論是在高速網(wǎng)絡(luò)還是在低成本的節(jié)點系統(tǒng)，CAN總線都得到了廣泛的應(yīng)用。USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)是1995年以Intel為首的7家公司推出的一種協(xié)議規(guī)范，具有即插即用、軟硬件支持廣泛、功耗低、價格低、數(shù)據(jù)傳輸率高、硬件結(jié)構(gòu)標準化和總線拓撲結(jié)構(gòu)完備等特點，因此USB自1995年問世以來，顯示出了強大的生命力。在以計算機為上位機的控制系統(tǒng)中，USB口比較適合作為計算機與測控網(wǎng)絡(luò)的接口。
隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，PC這個已經(jīng)把USB采納為通用總線和通用接口標準的控制器幾乎已經(jīng)成為各個領(lǐng)域操控終端的不二之選。只要接口標準統(tǒng)一，并安裝必要的應(yīng)用軟件和驅(qū)動程序，PC就能接入到各個控制系統(tǒng)中去。因此，為了應(yīng)用的高效率和操控的便利性，完全有必要采用技術(shù)手段實現(xiàn)通過PC的USB接口接入CAN專業(yè)網(wǎng)絡(luò)，把USB的通用性和CAN的專業(yè)性結(jié)合起來，把它們的優(yōu)勢融合。
1 芯片的選擇
1．1 CP2102芯片介紹
CP2102是Silicon Labs公司研發(fā)的一種高度集成的USB轉(zhuǎn)UART橋接芯片，具有價格低、開發(fā)簡單等特點，能夠用最簡單的外部電路和最少的外部器件簡便地實現(xiàn)USB到UART的轉(zhuǎn)換。CP2102包含USB2．O全速功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號的異步串行數(shù)據(jù)總線(UART)。該芯片的全部功能集成在一個5mm×5 mm的QFN28封裝的IC中。CP2102內(nèi)置與計算機通信的協(xié)議，工作時，所提供的免費的實用COM口器件驅(qū)動器允許基于CP2102的產(chǎn)品將其作為1個口使用，也就是通常所說的產(chǎn)生1個虛擬的口，而電路無需任何外部的USB器件即可工作，工作特性可以滿足CAN總線的傳輸波特率要求。
1．2 C8051F040芯片介紹
C8051F系列單片機是Silicon Labs公司推出的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與80C51兼容的CIP一51內(nèi)核，指令集與MCS一51完全兼容。C8051F040內(nèi)部集成的CAN控制器包括一個CAN內(nèi)核、消息RAM(獨立于CIP一51內(nèi)核)、消息處理單元、控制寄存器等。C8051F040內(nèi)部的CAN控制器是一個協(xié)議控制器，它并沒有提供物理層的驅(qū)動器，實現(xiàn)與CAN總線的接口，例如82C250、TJAl050等。數(shù)據(jù)接收和濾波都由CAN控制器完成，不需要CIP一51內(nèi)核的參與。通過這種方式使CAN通信時占用的系統(tǒng)資源最小。CIP一51內(nèi)核通過其內(nèi)部的特殊功能寄存器來配置CAN控制器以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。C8051F040內(nèi)部的CAN結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
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CAN的控制協(xié)議寄存器包括控制寄存器CANOCN、狀態(tài)寄存器CANOSTA、測試寄存器CANOTST、錯誤計數(shù)寄存器、位定時寄存器、波特CAN控制器、處理中斷、監(jiān)視總線狀態(tài)、設(shè)定控制器的測試模式等。CAN控制器收發(fā)的數(shù)據(jù)存放在消息RAM中，CAN處理器有32個消息目標，可以通過配置用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。這些消息RAM的數(shù)據(jù)不能被直接訪問，而必須通過接口寄存器IFl或IF2來訪問。除此之外，可以被直接訪問的寄存器是CANOCN、CANOSTA、CANOTST。CAN內(nèi)部其他不能被直接訪問的寄存器通過CANOADR、CANODATH、CANODATL這三個寄存器來訪問，這三個寄存器分別表示要訪問的寄存器的地址和數(shù)據(jù)，向CANOADR中寫入要訪問的寄存器地址后，對CANODAT的讀／寫就相當于讀／寫相應(yīng)的寄存器。由于C8051F040內(nèi)部集成了CAN總線控制器，所以只需外加總線驅(qū)動器并加上適當?shù)母綦x就可以了，電路顯得非常簡潔。
2 硬件實現(xiàn)
系統(tǒng)電路如圖2所示，由CP2102、C8051F040、CAN驅(qū)動芯片PCA82C250以及光電隔離芯片6N137等組成。CP2102的RTX、TXD引腳分別是串口的接收及輸出端，與單片機的對應(yīng)引腳相連。USB的終止和恢復信號支持功能便于CP2102器件以及外部電路的電源管理。當在總線上檢測到終止信號時，CP2102將進入終止模式。在進入終止模式時，CP2102會發(fā)SUSPEND和SUSPEND信號。但是，SUSPEND和SUSPEND在CP2102復位期間會暫時處于高電平。為避免這種情況出現(xiàn)，需要用1個10kΩ的電阻來確保SUSPEND在復位期間保持在低電平。PCA82C250是CAN收發(fā)器，可增加總線驅(qū)動能力，RS端接地，系統(tǒng)處于高速工作方式。6N137是光電隔離芯片，CAN總線信號CANTX和CANRX從C8051F040出來后先分別經(jīng)過高速光耦6N137進行電氣隔離，再經(jīng)過CAN總線控制器接口芯片82C250驅(qū)動，然后接到CAN數(shù)據(jù)線上。6N137實現(xiàn)智能節(jié)點與CAN總線之間的電氣隔離，不但提高了節(jié)點的可靠性和系統(tǒng)的抗干擾能力，而且也保護了總線及總線上的其他節(jié)點?？偩€兩端124Ω的電阻對，防止通信信號傳輸?shù)綄Ь€端點時發(fā)生反射。
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