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)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/234445.htmUSB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。
評(píng)論