基于CP2102高速USB2.0-CAN適配卡的設(shè)計

引言

控制器局域網(wǎng)(CAN) 是德國BOSCH公司于1986年為解決汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它的網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)包括物理層、 數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，以雙絞線為信號傳輸介質(zhì)，通信速率最高可達1Mbps ( 40m )，直接傳輸距離最遠可以達到10km/5Kbit/s，每條總線可掛接設(shè)備多達110個，特別適用于實時性要求很高的網(wǎng)絡(luò)。由于其多主的工作方式、優(yōu)良的穩(wěn)定性和實時性能、成熟的仲裁和同步技術(shù)，加上開放式總線結(jié)構(gòu)、短報文高速通訊、遠程通訊能力、超強的糾錯和擴展功能，以及控制簡單、應(yīng)用成本低等優(yōu)點，已經(jīng)被越來越多地應(yīng)用到廣大網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)領(lǐng)域，并被公認為最有前途的現(xiàn)場總線技術(shù)之一。

USB(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，用以實現(xiàn)將將計算機的各種外圍接口統(tǒng)一起來，用帶四根線(兩根電源線和兩根數(shù)據(jù)線)的接口來實現(xiàn)任意設(shè)備和PC機間的通訊。具有即插即用，軟硬件支持廣泛、低功耗、價格低、數(shù)據(jù)傳輸率高、擴充性好、使用靈活、硬件結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化高和完備的總線拓撲結(jié)構(gòu)等特點，因此USB自問世以來，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，得到廣泛的應(yīng)用。

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(biāo)準(zhǔn)的控制器幾乎已經(jīng)成為各個領(lǐng)域操控終端的首要選擇。通過USB接口，在安裝必要的應(yīng)用軟件和驅(qū)動程序之后，PC能接入到各個控制系統(tǒng)中去。因此，為了提高應(yīng)用的高效率、操控的便利性，把USB的通用型和CAN的專業(yè)性結(jié)合起來，達到優(yōu)勢互補，有必要設(shè)計一種高速USB2.0-CAN適配卡，以實現(xiàn)USB2.0通信協(xié)議與CAN總線通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要包含三部分：微控制器、USB接口和CAN接口的控制部分(見圖1)。其中C8051F040作為系統(tǒng)微控制器。USB接口功能控制器采用CP2102 USB轉(zhuǎn)UART橋接芯片。其中C8051F040作為CAN總線控制器負責(zé)與CAN網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，CP2102實現(xiàn)USB口信息格式與串口格式的轉(zhuǎn)換，最后由C8051F040操作串口與CP2102交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)USB2.0到CAN總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

圖1 USB2.0-CAN適配卡框圖

硬件實現(xiàn)

CP2102

CP2102是Silicon Labs公司的USB轉(zhuǎn)UART橋接芯片，具有集成度高、速度高、價格低廉、開發(fā)簡單等特點，能夠用最簡單的外部電路，最少的外部器件簡便地實現(xiàn)USB到 UART的轉(zhuǎn)換。CP2102 包含USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部的調(diào)制解調(diào)器控制信號的異步串行數(shù)據(jù)總線(UART)。CP2102的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，內(nèi)置有與計算機通信的協(xié)議，工作時，提供的免費的實用COM口器件驅(qū)動器允許一個基于CP2102的產(chǎn)品作為的一個口使用，也就是通常所說的產(chǎn)生一個虛擬的口，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。

圖2 CP2102的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

微控制器

系統(tǒng)采用Silicon Laboratories公司推出的混合信號系統(tǒng)級單片機C8051F040作為系統(tǒng)的控制器，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-51內(nèi)核)、消息處理單元、控制寄存器等但是沒有提供物理層的驅(qū)動器，要實現(xiàn)與CAN總線的接口，還需接口控制器,例如 82C250、TJA1050等。數(shù)據(jù)接收和濾波都是由CAN控制器完成的,不需要CIP-51內(nèi)核的參與，通過這種方式使CAN通訊時占用的系統(tǒng)資源最小。CIP-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。

電路設(shè)計

系統(tǒng)電路如圖3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、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(dāng)在總線上檢測到終止信號時，CP2102將進人終止模式。在進人終止模式時，CP2102會發(fā)SUSPEND和信號。但是，SUSPEND和在 CP2102復(fù)位期間會暫時處于高電平。為避免這種情況出現(xiàn)，需要用一個l0kΩ的電阻來確保在復(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端接地相連,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，不僅提高了節(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它節(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。

圖3 適配卡的硬件設(shè)計

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、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，否則可能會造成數(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，作為緩沖再進一步處理。在中斷服務(wù)程序的數(shù)據(jù)接收時，只有將數(shù)據(jù)準(zhǔn)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)，屬較慢操作，采用定時查詢式發(fā)送。CAN接收任務(wù)每次直接轉(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)，采用兩個信號量 (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4個任務(wù)協(xié)調(diào)配合完成：[!--empirenews.page--]

(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，并且一旦開始運行不再等待其它事件，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(dāng)USB接口[5]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，按照USB協(xié)議規(guī)范的數(shù)據(jù)格式對主機應(yīng)答。主要用于USB設(shè)備枚舉階段，與主機之間的信息交換。其它時間，此任務(wù)不占用處理器時間。

(3) CAN總線發(fā)送任務(wù)

當(dāng)USB接口有新的數(shù)據(jù)[6]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)，然后分解成小于等于8字節(jié)數(shù)據(jù)包，增加CAN總線協(xié)議數(shù)據(jù)包頭，送入C8051F040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_ Buf[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<5ms)，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(dāng)CAN總線接收[6]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(biāo)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

設(shè)計在充分遵守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)，很好的解決了USB的高速率和CAN的低速率、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，協(xié)議的可靠轉(zhuǎn)換。使 CAN的專業(yè)化操作和實踐通過USB變得更加靈活方便。