CP2102與C8051F040的USB-CAN轉換器設計
加入技術(shù)交流群
CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))總線(xiàn)是德國B(niǎo)osch公司在20世紀80年代初為解決汽車(chē)中眾多控制與測試儀器間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議，主要用于各種設備檢測及控制。CAN總線(xiàn)是一種多主機控制局域網(wǎng)標準，具有物理層和數據鏈路層的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、多主節點(diǎn)、無(wú)損仲裁、高可靠性及擴充性能好等特點(diǎn)，能有效支持分布式控制系統的串行通信網(wǎng)絡(luò )。一方面，其通信方式靈活，可實(shí)現多主方式工作，還可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)等多種數據收發(fā)方式；另一方面，它能在相對較大的距離間進(jìn)行較高位速率的數據通信。因此無(wú)論是在高速網(wǎng)絡(luò )還是在低成本的節點(diǎn)系統，CAN總線(xiàn)都得到了廣泛的應用。USB(Universal Serial Bus，通用串行總線(xiàn))是1995年以Intel為首的7家公司推出的一種協(xié)議規范，具有即插即用、軟硬件支持廣泛、功耗低、價(jià)格低、數據傳輸率高、硬件結構標準化和總線(xiàn)拓撲結構完備等特點(diǎn)，因此USB自1995年問(wèn)世以來(lái)，顯示出了強大的生命力。在以計算機為上位機的控制系統中，USB口比較適合作為計算機與測控網(wǎng)絡(luò )的接口。
隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，PC這個(gè)已經(jīng)把USB采納為通用總線(xiàn)和通用接口標準的控制器幾乎已經(jīng)成為各個(gè)領(lǐng)域操控終端的不二之選。只要接口標準統一，并安裝必要的應用軟件和驅動(dòng)程序，PC就能接入到各個(gè)控制系統中去。因此，為了應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(shí)現通過(guò)PC的USB接口接入CAN專(zhuān)業(yè)網(wǎng)絡(luò )，把USB的通用性和CAN的專(zhuān)業(yè)性結合起來(lái)，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UART橋接芯片，具有價(jià)格低、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能夠用最簡(jiǎn)單的外部電路和最少的外部器件簡(jiǎn)便地實(shí)現USB到UART的轉換。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制解調器控制信號的異步串行數據總線(xiàn)(UART)。該芯片的全部功能集成在一個(gè)5mm×5 mm的QFN28封裝的IC中。CP2102內置與計算機通信的協(xié)議，工作時(shí)，所提供的免費的實(shí)用COM口器件驅動(dòng)器允許基于CP2102的產(chǎn)品將其作為1個(gè)口使用，也就是通常所說(shuō)的產(chǎn)生1個(gè)虛擬的口，而電路無(wú)需任何外部的USB器件即可工作，工作特性可以滿(mǎn)足CAN總線(xiàn)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級芯片，具有與80C51兼容的CIP一51內核，指令集與MCS一51完全兼容。C8051F040內部集成的CAN控制器包括一個(gè)CAN內核、消息RAM(獨立于CIP一51內核)、消息處理單元、控制寄存器等。C8051F040內部的CAN控制器是一個(gè)協(xié)議控制器，它并沒(méi)有提供物理層的驅動(dòng)器，實(shí)現與CAN總線(xiàn)的接口，例如82C250、TJAl050等。數據接收和濾波都由CAN控制器完成，不需要CIP一51內核的參與。通過(guò)這種方式使CAN通信時(shí)占用的系統資源最小。CIP一51內核通過(guò)其內部的特殊功能寄存器來(lái)配置CAN控制器以及實(shí)現數據交互。C8051F040內部的CAN結構框圖如圖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、錯誤計數寄存器、位定時(shí)寄存器、波特CAN控制器、處理中斷、監視總線(xiàn)狀態(tài)、設定控制器的測試模式等。CAN控制器收發(fā)的數據存放在消息RAM中，CAN處理器有32個(gè)消息目標，可以通過(guò)配置用于數據發(fā)送或接收。這些消息RAM的數據不能被直接訪(fǎng)問(wèn)，而必須通過(guò)接口寄存器IFl或IF2來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。除此之外，可以被直接訪(fǎng)問(wèn)的寄存器是CANOCN、CANOSTA、CANOTST。CAN內部其他不能被直接訪(fǎng)問(wèn)的寄存器通過(guò)CANOADR、CANODATH、CANODATL這三個(gè)寄存器來(lái)訪(fǎng)問(wèn)，這三個(gè)寄存器分別表示要訪(fǎng)問(wèn)的寄存器的地址和數據，向CANOADR中寫(xiě)入要訪(fǎng)問(wèn)的寄存器地址后，對CANODAT的讀／寫(xiě)就相當于讀／寫(xiě)相應的寄存器。由于C8051F040內部集成了CAN總線(xiàn)控制器，所以只需外加總線(xiàn)驅動(dòng)器并加上適當的隔離就可以了，電路顯得非常簡(jiǎn)潔。
2 硬件實(shí)現
系統電路如圖2所示，由CP2102、C8051F040、CAN驅動(dòng)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(xiàn)上檢測到終止信號時(shí)，CP2102將進(jìn)入終止模式。在進(jìn)入終止模式時(shí)，CP2102會(huì )發(fā)SUSPEND和SUSPEND信號。但是，SUSPEND和SUSPEND在CP2102復位期間會(huì )暫時(shí)處于高電平。為避免這種情況出現，需要用1個(gè)10kΩ的電阻來(lái)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(xiàn)驅動(dòng)能力，RS端接地，系統處于高速工作方式。6N137是光電隔離芯片，CAN總線(xiàn)信號CANTX和CANRX從C8051F040出來(lái)后先分別經(jīng)過(guò)高速光耦6N137進(jìn)行電氣隔離，再經(jīng)過(guò)CAN總線(xiàn)控制器接口芯片82C250驅動(dòng)，然后接到CAN數據線(xiàn)上。6N137實(shí)現智能節點(diǎn)與CAN總線(xiàn)之間的電氣隔離，不但提高了節點(diǎn)的可靠性和系統的抗干擾能力，而且也保護了總線(xiàn)及總線(xiàn)上的其他節點(diǎn)?？偩€(xiàn)兩端124Ω的電阻對，防止通信信號傳輸到導線(xiàn)端點(diǎn)時(shí)發(fā)生反射。
評論