CP2102與C8051的USB-CAN轉換器設計

引 言
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。

3 USB與CAN之間協(xié)議轉換的實(shí)現

設計在充分遵守USB和CAN協(xié)議的基礎上，實(shí)現了USB數據與CAN數據之間的協(xié)議轉換和轉發(fā)。在設計過(guò)程中，USB的高速率和CAN的低速率，以及USB的大數據包和CAN的小數據包之間存在著(zhù)矛盾，必須認真解決，否則可能造成數據丟失、協(xié)議轉換不可靠、設備工作不穩定。本設計中USB和CAN都采用了接收中斷方式，將USB和CAN的數據包先存儲下來(lái)，作為緩沖進(jìn)一步處理。在接收中斷服務(wù)程序的數據時(shí)，只有將數據準確地收取下來(lái)，才將接收緩沖區釋放，在此之前拒絕接收新的數據。在數據發(fā)送時(shí)，先確認發(fā)送緩沖區可用才寫(xiě)入數據。由于兩端接口芯片都有內部的發(fā)送和接收緩沖區，主程序的主要任務(wù)就是完成數據的轉發(fā)，以及提供通信同步的握手協(xié)議，防止數據丟失和順序錯誤。

相對于CAN總線(xiàn)傳輸速率，USB總線(xiàn)速率要高得多，128字節的緩沖區也比CAN總線(xiàn)芯片8字節緩沖區大得多。因此，向CAN接口發(fā)送數據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(shí)查詢(xún)式發(fā)送。CAN接收任務(wù)時(shí)，每次盲接轉發(fā)CAN接口收到的8字節數據到USB接口發(fā)送緩沖區，采用2個(gè)信號量(CAN—rcv，USB—wr)完成數據同步操作。數據轉發(fā)工作共有以下4個(gè)任務(wù)協(xié)調配合完成。

(1)USB中斷后續處理任務(wù)

CP2102接收到數據或發(fā)送完成，都會(huì )觸發(fā)中斷程序運行。中斷處理程序只需要簡(jiǎn)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(shí)間。因此，這個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級最高，并且一旦開(kāi)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USB接口的不同中斷原因，通知其他任務(wù)進(jìn)行后續的數據處理或轉發(fā)工作。

(2)控制端點(diǎn)信息處理任務(wù)

當USB接口接收到主機發(fā)來(lái)的USB協(xié)議信息時(shí)，此任務(wù)得到通知。根據主機的要求，該任務(wù)按照USB協(xié)議規范的數據格式對主機應答。它主要用于USB設備枚舉階段，與主機之間進(jìn)行信息交換。其他時(shí)間，此任務(wù)不占用處理器時(shí)間。

(3)CAN總線(xiàn)發(fā)送任務(wù)

當USB接口有新的數據要轉發(fā)到CAN總線(xiàn)時(shí)，USB中斷后續處理任務(wù)通知此任務(wù)運行。讀出USB芯片接收緩沖區中的數據到內存緩沖區，然后分解成小于或等于8字節的數據包，增加CAN總線(xiàn)協(xié)議數據包頭，送入C805lF040的發(fā)送緩沖區。微處理器的主要處理時(shí)間就是USB數據包的分解和重新打包發(fā)送。

此任務(wù)占用處理器的時(shí)間最長(cháng)。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(kāi)始讀取CP2102接收緩沖區數據到內存數組Ep2out_Bur[128]，然后采用查詢(xún)式發(fā)送方式，將數據送到C8051F040的發(fā)送緩沖區，每次8字節。在查詢(xún)過(guò)程中，如果C8051F040處于正在發(fā)送中，將任務(wù)休眠3個(gè)時(shí)鐘嘀嗒(5 ms)，然后再次查詢(xún)，避免長(cháng)時(shí)間占用處理器。

(4)CAN總線(xiàn)接收任務(wù)

當CAN總線(xiàn)接收到數據后，由于數據包最多只有8個(gè)字節，因此可以一次放入USB接口芯片發(fā)送緩沖區，由主機讀取。此任務(wù)很少占用處理器時(shí)間。主要是為了協(xié)調CAN總線(xiàn)與USB總線(xiàn)之間數據轉發(fā)的同步，使數據包可以按照原來(lái)的順序接收到，并且不覆蓋尚未發(fā)送的上一個(gè)數據包，避免數據丟失。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)送新的數據。由于USB接口緩沖區較大，并且發(fā)送速度快，CAN接收任務(wù)直接將CAN接收到的數據送入USB接口芯片CP2012的發(fā)送緩沖區。然后打開(kāi)CAN接收中斷。

結 語(yǔ)

在遵守USB和CAN協(xié)議的基礎上，USB和CAN都采用了接收中斷方式，通過(guò)通信同步的握手協(xié)議，實(shí)現了USB數據與CAN數據之間的協(xié)議轉換和轉發(fā)，很好地解決了USB的高速率和CAN的低速率，以及USB的大數據包與CAN的小數據包之間的矛盾，能夠保證數據完整和協(xié)議的可靠轉換。