基于USB接口的CAN總線(xiàn)適配器設計

現場(chǎng)總線(xiàn)作為二十世紀80年代發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，在工業(yè)現場(chǎng)已有了廣泛的應用。在比較有影響力的幾種現場(chǎng)總線(xiàn)中，CAN總線(xiàn)以其突出的優(yōu)點(diǎn)不僅大量應用于工業(yè)現場(chǎng)，而且在樓宇自動(dòng)化、智能終端設備等民用領(lǐng)域也有了長(cháng)足的發(fā)展。

現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的實(shí)現需要與計算機相結合。以往CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與計算機的連接采用RS232、ISA或PCI接口。但是隨著(zhù)計算機接口技術(shù)的發(fā)展，ISA接口已經(jīng)逐漸被淘汰；RS232接口數據傳輸率太低；PCI雖然仍是高速外設與計算機接口的主要渠道，但其主要缺點(diǎn)是占用有限的系統資源、設計復雜、需有高質(zhì)量的驅動(dòng)程序保證系統的穩定，且無(wú)法用于便攜式計算機的擴展。隨著(zhù)USB1.1、USB2.0規范的相繼制定，為外設與計算機的接口提出了新的發(fā)展方向。USB的主要特點(diǎn)有：外設安裝簡(jiǎn)單，可實(shí)現熱插撥；通訊速率高，USB1.1全速傳送速率為12Mbps，與標準串行端口相比，大約快100倍；支持多設備連接；提供內置電源。

本文給出一種在Windows2000下使用USB1.1協(xié)議實(shí)現CAN總線(xiàn)適配器的設計方法。整個(gè)設計主要開(kāi)發(fā)適配器的固件及計算機的驅動(dòng)程序、應用程序，以達到用USB接口連接現場(chǎng)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的目的。

1 適配器硬件接口設計

適配器硬件電路由微控制器、CAN總線(xiàn)接口、USB總線(xiàn)接口和DC-DC隔離電源模塊等組成。原理框圖如圖1所示。

微控制器P89C51RD2是Philips公司生產(chǎn)的增強型MCS-51兼容單片機，片內集成64KB閃存和1KB擴展RAM，雙數據指針，4級中斷優(yōu)先級，7個(gè)中斷

內置看門(mén)狗，可編程時(shí)鐘輸出，在6時(shí)鐘模式下工作，速度是標準51單片機的兩倍。此時(shí)外部最高頻率可達20MHz。在高速、大程序容量、中小規模數據處理場(chǎng)合是一款非常理想的單片機型。

CAN總線(xiàn)接口使用Philips公司的獨立CAN總線(xiàn)控制器SJA1000，并由光耦6N136進(jìn)行總線(xiàn)隔離。SJA1000是一種獨立控制器，用于移動(dòng)目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區域網(wǎng)絡(luò )控制，符合CAN2.0A和2.0B規范，最高速率可在達1Mbps。CAN總線(xiàn)收發(fā)器采用PCA82C250。

PDIUSBD12是Philips公司推出的全速USB接口器件，完全兼容USB1.1規范。圖1中D+引腳信號電平通過(guò)器件SoftConnect命令內部上拉，從而向主機表示為一個(gè)全速設備。EOT引腳自動(dòng)檢測USB接口的VBUS電壓以確定USB電纜是否連接到了主機。SUSPEND是雙向引腳，用以向微控制器指示器件是否掛起。當有USB總線(xiàn)事件發(fā)生時(shí)，引腳向微控制器發(fā)出中斷信號。PDIUSBD12支持總線(xiàn)復用和非復用兩種并行接口模式，以方便連接不同類(lèi)型的微控制器。圖1中采用總線(xiàn)復用方式，當用奇數地址訪(fǎng)問(wèn)PDIUSBD12時(shí)被認為是命令，偶數地址訪(fǎng)問(wèn)則被認為是數據讀寫(xiě)。

各器件都需要外部時(shí)鐘信號，而且它們自身也都有可編程的時(shí)鐘輸出功能，這就給系統的時(shí)鐘設計帶來(lái)了便利。圖1中微控制器6時(shí)鐘運行模式下，外部為12MHz晶振。P89C51RD2的P1.1引腳產(chǎn)生6MHz方波作為PDIUSBD12的輸入時(shí)鐘；通過(guò)PDIUSBD12的SetMode寄存器編程使CLKOUT輸出時(shí)鐘頻率為24MHz，作為SJA1000的外部輸入時(shí)鐘。

2 軟件設計

軟件設計包括微控制器的固件設計和計算機端USB驅動(dòng)程序兩部分。

2.1 微控制器固件編程

固件編程是USB數據傳輸系統中終端設備程序設計的一個(gè)重要概念。微控制器通過(guò)固件是程序與計算機進(jìn)行數據交換。固件設計的目的是：使PDIUSBD12在USB上達到最大的傳輸速率；增加系統的可擴展性和硬件無(wú)關(guān)性。

固件要實(shí)現的內容：一是對SJA1000初始化，接收CAN總線(xiàn)送來(lái)的數據，收集CAN網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)信息，并將主機的數據下發(fā)到CAN網(wǎng)絡(luò )；二是對PDIUSBD12初始化，完成USB總線(xiàn)連接過(guò)程，并組織CAN網(wǎng)絡(luò )和主機之間的數據傳送。設計中采用KeilC51軟件編譯環(huán)境，C51和ASM混合編程方式。