淺析CAN總線(xiàn)與USB的轉接技術(shù)

USB總線(xiàn)就是一種新型、快速、雙向、同步傳輸、并可以熱插拔的數據傳輸總線(xiàn)，它滿(mǎn)足了人們對總線(xiàn)易用性、擴展能力強和低成本的要求，因此，USB在PC外設領(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的高速數據傳輸。目前，USB總線(xiàn)已經(jīng)逐漸成為計算機領(lǐng)域中應用最廣泛的外設總線(xiàn)連接規范。

與此同時(shí)CAN(Controller Area Network)總線(xiàn)技術(shù)也日趨成熟，其傳輸距離遠，傳輸速率高，抗干擾能力強，易于組網(wǎng)，而且節約成本，已被公認為是最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一，并在國內外控制領(lǐng)域獲得了普遍重視。目前，德國現代汽車(chē)公司和歐洲其他幾個(gè)主要汽車(chē)公司的車(chē)內控制系統全部采用CAN總線(xiàn)，國內的很多工業(yè)控制系統，(如車(chē)載控制系統、醫療控制系統和很多智能小區中的智能控制系統)都采用了CAN總線(xiàn)技術(shù)。隨著(zhù)更加完善的CAN2.0B協(xié)議的提出，國外已有專(zhuān)家提出預言，CAN總線(xiàn)的應用壽命至少還有二十年。

雖然上述兩種總線(xiàn)的特點(diǎn)都比較突出，但二者在控制領(lǐng)域的應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)常達不到工業(yè)應用的要求；而CAN適配器與主機在傳統接口上的連接十分繁瑣和復雜，不利于CAN的應用擴展。所以，本設計考慮將傳輸距離較遠的CAN總線(xiàn)技術(shù)與即插即用的USB接口技術(shù)相結合，即利用USB接口方便的實(shí)現CAN總線(xiàn)和主機的連接，從而有力的擴展了CAN總線(xiàn)的監控和管理功能，擴大CAN總線(xiàn)的應用范圍。

1 接口模塊的總體設計

本文所介紹的USB-CAN轉接技術(shù)總體框圖如圖1所示，該設計分兩大部分：一是與主機USB接口相連的USB控制部分；二是與CAN總線(xiàn)相連的CAN控制器部分。兩者中間通過(guò)單片機聯(lián)系起來(lái)。USB控制部分用USB接口控制芯片CH372來(lái)實(shí)現數據的接收和發(fā)送；CAN控制器SJA1000用來(lái)實(shí)現CAN總線(xiàn)間的數據通信。單片機用來(lái)進(jìn)行相應的控制、協(xié)調以及系統的通信。

2 AT89C52在系統中的功能

單片機AT89C52在系統中主要起到一個(gè)橋梁和協(xié)調控制的作用。主機通過(guò)CH372把數據發(fā)送到單片機，單片機再把數據通過(guò)SJA1000發(fā)送到CAN總線(xiàn)，從而實(shí)現整個(gè)系統的通信。此外，單片機還需要對CH372和SJA1000進(jìn)行初始化，并通過(guò)地址／數據以復用的方式訪(fǎng)問(wèn)CH372和SJA1000。由于在訪(fǎng)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，那么單片機就不能讀到正確的數據，因此，單片機要通過(guò)片選控制信號分配有效地址。單片機主要通過(guò)主循環(huán)來(lái)監控系統的通信，其主循環(huán)流程圖見(jiàn)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)現數據的接受和發(fā)送。CH372是一個(gè)USB總線(xiàn)的通用設備接口芯片，CH372在單片機端，具有8位數據總線(xiàn)和讀、寫(xiě)、片選控制線(xiàn)以及中斷輸出，因此可以方便地掛接到單片機／DSP／MCU等控制器的系統總線(xiàn)上；在計算機系統中，CH372的配套軟件提供了簡(jiǎn)潔易用的操作接口，因此，與本地端的單片機通訊就如同讀寫(xiě)文件一樣簡(jiǎn)單。

CH372在計算機端提供有應用層接口，應用層接口是由CH372動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL提供的面向功能應用的API，所有API在調用后都會(huì )有操作狀態(tài)返回，但不一定有應答數據。CH372動(dòng)態(tài)鏈接庫提供的API包括：設備管理API、數據傳輸API、中斷處理API等。

在應用層設計中，筆者采用的是請求加應答的方式。該方式使用一個(gè)下傳的主動(dòng)請求和一個(gè)上傳的被動(dòng)應答進(jìn)行交互式雙向數據通訊，下傳與上傳一一對應，相互關(guān)聯(lián)。主動(dòng)請求是指由計算機應用層下傳給單片機的數據請求，被動(dòng)應答則是單片機收到數據請求后，上傳給計算機應用層的應答數據。所有的通訊都由計算機應用層發(fā)起，然后以接收到單片機的應答結束，其完整的過(guò)程包括如下步驟：

(1) 計算機應用層按事先約定的格式將數據請求發(fā)送給CH372芯片；

(2) CH372芯片以中斷方式通知單片機；

(3) 單片機進(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，則釋放當前USB緩沖區，然后退出中斷程序；

(5) 如果是下傳，則從數據下傳緩沖區中讀取數據塊；

(6) 分析接收到的數據塊，準備應答數據，或者先退出中斷程序再處理；

(7) 單片機將應答數據寫(xiě)入批量端點(diǎn)的上傳緩沖區，然后退出中斷程序；

(8) CH372芯片將應答數據返回給計算機；

(9) 計算機應用層接收到應答數據。

在單片機端，CH372芯片占用兩個(gè)地址位，當A0引腳為高電平時(shí)，系統選擇命令端口，此時(shí)可以寫(xiě)入命令；當A0引腳為低電平時(shí)，選擇數據端口，此時(shí)可以讀寫(xiě)數據。單片機通過(guò)8位并口對CH372芯片進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，所有操作都是由一個(gè)命令碼、若干個(gè)輸人數據和若干個(gè)輸出數據組成。

但部分命令不需要輸入數據，而部分命令也可以沒(méi)有輸出數據。

CH372芯片專(zhuān)門(mén)用于處理USB通訊。在接收到數據或發(fā)送完數據后，CH372將以中斷方式通知單片機進(jìn)行處理。單片機通過(guò)CH372接收和發(fā)送數據的流程圖如圖3所示。

4 CAN控制器部分

CAN控制器SJA1000可以通過(guò)總線(xiàn)驅動(dòng)器PCA82C250接收CAN總線(xiàn)上的信號，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，然后通過(guò)驅動(dòng)器再傳送到CAN總線(xiàn)。

由于SJA1000與CH372的地址／數據總線(xiàn)共用，故應通過(guò)片選加以區別。操作時(shí)可將地址鎖存管腳ALE／AS與單片機的ALE／P相連接，WR和RD管腳分別與單片機的WR、RD相連接。MODE管腳拉高則選用INTEL模式。應用時(shí)應將中斷管腳INT與AT89C52的INT1相連，并接外部中斷1，同時(shí)應接上拉10 kΩ電阻。電源與地之間應連接去耦電容。

SJA1000的TX0和RX0管腳分別與驅動(dòng)器82C250的TX和RX相連接，可用于向CAN總線(xiàn)發(fā)送和接收數據。此時(shí)，需要將RX1管腳接到一個(gè)穩定的電平上，并將系統中的RX1接地。

在CAN總線(xiàn)端，單片機控制著(zhù)傳輸流程。SJA1000的初始化由單片機完成，其初始化流程圖見(jiàn)圖4所示，在正常工作模式下，單片機可控制SJA1000的收發(fā)等操作，以完成和CAN總線(xiàn)的通信。當主機端傳來(lái)數據時(shí)，單片機將數據轉發(fā)到SJA1000的發(fā)送緩沖區，并由SJA1000根據CAN協(xié)議自動(dòng)封裝后發(fā)送到CAN總線(xiàn)上；當SJA1000接收到來(lái)自CAN總線(xiàn)上的一個(gè)有效的報文后，系統將在INT引腳上產(chǎn)生一個(gè)硬件中斷信號(低有效)，當單片機收到中斷信號后，即進(jìn)人中斷服務(wù)程序，以完成數據的接收和處理，其中斷服務(wù)流程見(jiàn)圖5所示。

5 結束語(yǔ)

本文介紹的USB-CAN轉接系統可以實(shí)現預期的目標。它能夠實(shí)現數據的傳輸，從而為CAN總線(xiàn)和PC機的連接提供了一個(gè)方便實(shí)用的USB接口。

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