CP2102與C8051F040的USB-CAN轉(zhuǎn)換器設(shè)計

引 言
    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。

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(fù)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(fù)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(fù)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?dǎo)線端點時發(fā)生反射。

3 USB與CAN之間協(xié)議轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)
    設(shè)計在充分遵守USB和CAN協(xié)議的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了USB數(shù)據(jù)與CAN數(shù)據(jù)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)。在設(shè)計過程中，USB的高速率和CAN的低速率，以及USB的大數(shù)據(jù)包和CAN的小數(shù)據(jù)包之間存在著矛盾，必須認真解決，否則可能造成數(shù)據(jù)丟失、協(xié)議轉(zhuǎn)換不可靠、設(shè)備工作不穩(wěn)定。本設(shè)計中USB和CAN都采用了接收中斷方式，將USB和CAN的數(shù)據(jù)包先存儲下來，作為緩沖進一步處理。在接收中斷服務(wù)程序的數(shù)據(jù)時，只有將數(shù)據(jù)準確地收取下來，才將接收緩沖區(qū)釋放，在此之前拒絕接收新的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)發(fā)送時，先確認發(fā)送緩沖區(qū)可用才寫入數(shù)據(jù)。由于兩端接口芯片都有內(nèi)部的發(fā)送和接收緩沖區(qū)，主程序的主要任務(wù)就是完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，以及提供通信同步的握手協(xié)議，防止數(shù)據(jù)丟失和順序錯誤。
    相對于CAN總線傳輸速率，USB總線速率要高得多，128字節(jié)的緩沖區(qū)也比CAN總線芯片8字節(jié)緩沖區(qū)大得多。因此，向CAN接口發(fā)送數(shù)據(jù)需要完成拆包和重新打包的任務(wù)，屬較慢的操作，采用定時查詢式發(fā)送。CAN接收任務(wù)時，每次盲接轉(zhuǎn)發(fā)CAN接口收到的8字節(jié)數(shù)據(jù)到USB接口發(fā)送緩沖區(qū)，采用2個信號量(CAN—rcv，USB—wr)完成數(shù)據(jù)同步操作。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作共有以下4個任務(wù)協(xié)調(diào)配合完成。
    (1)USB中斷后續(xù)處理任務(wù)
    CP2102接收到數(shù)據(jù)或發(fā)送完成，都會觸發(fā)中斷程序運行。中斷處理程序只需要簡單地通知此任務(wù)有中斷發(fā)生，以盡量減少中斷關(guān)閉的時間。因此，這個任務(wù)的優(yōu)先級最高，并且一旦開始運行便不再等待其他事件，要盡快處理完成。此任務(wù)根據(jù)USB接口的不同中斷原因，通知其他任務(wù)進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理或轉(zhuǎn)發(fā)工作。
    (2)控制端點信息處理任務(wù)
    當USB接口接收到主機發(fā)來的USB協(xié)議信息時，此任務(wù)得到通知。根據(jù)主機的要求，該任務(wù)按照USB協(xié)議規(guī)范的數(shù)據(jù)格式對主機應(yīng)答。它主要用于USB設(shè)備枚舉階段，與主機之間進行信息交換。其他時間，此任務(wù)不占用處理器時間。
    (3)CAN總線發(fā)送任務(wù)
    當USB接口有新的數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)發(fā)到CAN總線時，USB中斷后續(xù)處理任務(wù)通知此任務(wù)運行。讀出USB芯片接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)到內(nèi)存緩沖區(qū)，然后分解成小于或等于8字節(jié)的數(shù)據(jù)包，增加CAN總線協(xié)議數(shù)據(jù)包頭，送入C805lF040的發(fā)送緩沖區(qū)。微處理器的主要處理時間就是USB數(shù)據(jù)包的分解和重新打包發(fā)送。
    此任務(wù)占用處理器的時間最長。CAN發(fā)送任務(wù)每次等待USB接收中斷觸發(fā)USB_rd信號量后，開始讀取CP2102接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)到內(nèi)存數(shù)組Ep2out_Bur[128]，然后采用查詢式發(fā)送方式，將數(shù)據(jù)送到C8051F040的發(fā)送緩沖區(qū)，每次8字節(jié)。在查詢過程中，如果C8051F040處于正在發(fā)送中，將任務(wù)休眠3個時鐘嘀嗒(<5 ms)，然后再次查詢，避免長時間占用處理器。
    (4)CAN總線接收任務(wù)
    當CAN總線接收到數(shù)據(jù)后，由于數(shù)據(jù)包最多只有8個字節(jié)，因此可以一次放入USB接口芯片發(fā)送緩沖區(qū)，由主機讀取。此任務(wù)很少占用處理器時間。主要是為了協(xié)調(diào)CAN總線與USB總線之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的同步，使數(shù)據(jù)包可以按照原來的順序接收到，并且不覆蓋尚未發(fā)送的上一個數(shù)據(jù)包，避免數(shù)據(jù)丟失。CAN接收中斷首先讀C8051F040中斷寄存器，清除中斷標志。然后觸發(fā)CAN—rcv信號量，使CAN接收任務(wù)得以運行。CAN接收任務(wù)然后等待USB發(fā)送完成中斷觸發(fā)USB—wr信號量，表示USB接口可以發(fā)送新的數(shù)據(jù)。由于USB接口緩沖區(qū)較大，并且發(fā)送速度快，CAN接收任務(wù)直接將CAN接收到的數(shù)據(jù)送入USB接口芯片CP2012的發(fā)送緩沖區(qū)。然后打開CAN接收中斷。

結(jié) 語
    在遵守USB和CAN協(xié)議的基礎(chǔ)上，USB和CAN都采用了接收中斷方式，通過通信同步的握手協(xié)議，實現(xiàn)了USB數(shù)據(jù)與CAN數(shù)據(jù)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)，很好地解決了USB的高速率和CAN的低速率，以及USB的大數(shù)據(jù)包與CAN的小數(shù)據(jù)包之間的矛盾，能夠保證數(shù)據(jù)完整和協(xié)議的可靠轉(zhuǎn)換。