USB-CAN-RS232總線(xiàn)轉換電路設計及實(shí)現
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1 引言
隨著(zhù)電子設備的大量出現及針對各種控制系統的實(shí)際需求，各種通信網(wǎng)絡(luò )相繼產(chǎn)生。由于它們的總線(xiàn)結構，通信協(xié)議及傳輸特點(diǎn)各不相同，給不同設備之間的連接帶來(lái)很多麻煩，因而急需各種總線(xiàn)之間的轉換裝置。目前較流行的現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )有RS－232，RS422/485、HART、Profield、Dupline、CAN和LonWorks等，本文闡述了一種USB－CAN－RS232三總線(xiàn)轉換裝置，電路設計簡(jiǎn)單新穎，并并且攜帶方便，實(shí)用性很強。
2 各種總線(xiàn)的特點(diǎn)
2.1 CAN（Controller Area Netwrok）
CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò )，屬于工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)的范疇。與一般的通信總線(xiàn)相比，CAN總線(xiàn)的數據通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，具有較高的通信速率（最高達1Mb/s），較遠的通信距離（最遠達10km），良好的抗電磁干擾能力，而且采用總線(xiàn)仲裁技術(shù)，通信方式靈活，越來(lái)越受到人們的重視，它在汽車(chē)領(lǐng)域的應用最為廣泛，一些著(zhù)名的汽車(chē)制造廠(chǎng)商如BENZ（奔馳）、BMW（寶馬）、PORSCHE（保時(shí)捷）、ROLLS－ROYCE（勞斯萊斯）和JAGUAR（美洲豹）等都采用CAN總線(xiàn)實(shí)現汽車(chē)內部控制系統與各檢測和執行機構間的數據通信。
2.2 USB（Universal Serial Bus）
USB即"通用串行總線(xiàn)"是一種應用在PC中的表型總線(xiàn)，由Intel、Microsoft、NEC等公司共同提出，他是一種新型的外接串聯(lián)口，提出該規格的廠(chǎng)商希望用USB取代現有的外接設備接口，它還具備連接單一化、軟件自動(dòng)偵測以及熱插拔（即插即用）的功能，USB具有以下特點(diǎn)：
1）數據傳輸速率高。USB高速：480Mb/s；USB全速：12Mb/s；USB低速：1.5Mb/s。
2）數據傳輸可靠。USB事務(wù)處理包括錯誤檢測機制，可以確保數據無(wú)錯誤發(fā)送，在發(fā)生錯誤時(shí)，事務(wù)處理可以重新進(jìn)行。
3）同時(shí)掛接多個(gè)USB設備，每個(gè)USB總線(xiàn)支持127個(gè)設備的連接。
4）USB接口能為設備供電。當外界電源要求電壓為5V且電流小于500mA時(shí)，可以直接從USB總線(xiàn)獲取電源，這樣，USB設備無(wú)需專(zhuān)用電源線(xiàn)，從而降低了設備成本。
5）支持熱拔。USB實(shí)現了真正的"即插即用"功能，設備連接后由USB自檢測，并且由軟件自動(dòng)配置，完成后立刻就能使用，不需要用戶(hù)進(jìn)行干涉。
3 器件特性
3.1 SJA1000型CAN總線(xiàn)控制器
SJA1000是Philips公司早期PCA82C200型CAN控制器的代替品，功能更強，具有如下特點(diǎn)：
完成兼容PCA82C200及其工作模式即BASICCAN模式；
具有擴展的接收緩沖器，64字節的FIFO結構；
支持CAN2.0B；
支持11位和29位識別碼；
位速率可達1Mbit/s；
時(shí)鐘頻率高達24M赫茲；
支持與不同微處理器的接口；
可編程的CAN輸出驅動(dòng)配置；
工作溫度范圍寬（－40攝氏度～＋125攝氏度）。
SJA1000的引腳排列如圖1所示，其內部主要由接口管理邏輯IML、信息緩沖器（含發(fā)送緩沖器TXB和接收緩沖器RXFIFO）、位流處理器BSP、接收過(guò)濾器ASP、位時(shí)序處理邏輯BTL、錯誤管理邏輯EML、內部振蕩器及復位電路等構成，IML接收來(lái)自CPU的命令，控制CAN寄存器的尋址并向控制提供中斷信息及狀態(tài)信息，CPU的控制經(jīng)IML把要發(fā)送的數據寫(xiě)入TXB，TXB中的數據由BSP處理后經(jīng)BTL輸出到CAN BUS。BTL始終監視CAN BUS，當檢測到有效的信息頭"隱性電平－控制電平"的轉換時(shí)啟動(dòng)接收過(guò)程，接收的信息首先要由位流處理器DSP處理，并由ASP過(guò)濾，只有當接收的信息的識別碼與ASP檢驗相符時(shí)，接收信息才最終被寫(xiě)入RXB或RXFIFO中，RXFIFO最多可以緩存64字節的數據，該數據可被CPU讀取，EML負責傳遞層中調制器的錯誤管制，它接收BSP的出錯報告，促使DSP和IML進(jìn)行錯誤統計。
3.2 USBN9603型USB接口電路
USBN9603的引腳排列如圖2所示，它是標準的USB接口電路，符合USB1.0和USB1.1協(xié)議。USBN9603集成了3.3V的穩定電源、串行接口引擎SIE、多個(gè)USB端點(diǎn)緩沖FIFO、1個(gè)8位并行微處理器接口和1個(gè)時(shí)鐘源。
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USBN9603的性能如下：
低電流，低功能，外接24M赫茲晶體振蕩器。
增強型的DMA機制支持數據快速自動(dòng)傳輸；
集成了64B的雙向FIFO存儲器；
外處理器接口模式可由軟件控制；
支持24M赫茲晶體振蕩器和內部48M赫茲時(shí)鐘產(chǎn)生電路；
時(shí)鐘頻率可由軟件控制；
8位并行接口有兩種可選模式，包括地址/數據復用型和非地址/數據復用型；
接收和發(fā)送端的緩沖為64B；
4 硬件設計
電路中使用的微處理器是ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51型單片機，硬件連接如圖3所示，USBN9603的CLKOUT與AT89C51的XTAL1相連，USBN9603的時(shí)鐘輸出為AT89C51提供時(shí)鐘輸入。AT89C51通過(guò)并行地址/數據復用的方式訪(fǎng)問(wèn)USBN9603，AT89C51的P2.0通過(guò)74HC14反向后片選USBN9603，其地址為0x00－0x1FF。選用SJA1000作為CAN微控制器，SJA1000集成了CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的幀處理，其地址為0x000－0x0FF。AT82C50作為CAN控制器和物理總線(xiàn)之間的接口，用于提供總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送能力和CAN控制器差動(dòng)接收能力。通過(guò)AT82C50的引腳3可選擇3種不同的工作方式（高速、斜率控制和待機）。該引腳接地為高速方式，高速光耦隔離用6N137實(shí)現，其作用是防止串入信號的干擾。MAX232用來(lái)完成RS232電平到微控制器接口電路的TTL電平轉換，同時(shí)還可進(jìn)行一些總線(xiàn)端口的工作參數設置。
在微控制器的控制下，各總線(xiàn)之間進(jìn)行數據交換，微控制器先對各個(gè)總線(xiàn)工作參數進(jìn)行初始化，設置好時(shí)鐘、寄存器、波特率、并選擇合適的中斷方式，對于SJA1000，主要指對控制寄存器CR、驗收碼寄存器ACR、驗收屏蔽寄存器AMR、時(shí)鐘分頻寄存器CDR、總線(xiàn)定時(shí)寄存器BTR0、總線(xiàn)定時(shí)器BRT1等的設置。USB的傳輸方式有4種：控制傳輸、塊傳輸、同步傳輸和中斷傳輸。本設計中使用了控制傳輸和塊傳輸。USBN9603的內部寄存器和FIFO緩沖區分別對每個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行控制，當接到主機法來(lái)的IN標記包時(shí)，發(fā)送端點(diǎn)應自動(dòng)向上發(fā)送數據。如果沒(méi)有數據發(fā)送，則回應NAK（Negative Acknowledegment）握手包。其主程序流程如圖4所示。
在設計軟件時(shí)，一定要正確選擇需要傳輸數據的2種總線(xiàn)，可以用軟件或硬件進(jìn)行選擇。
6 結束語(yǔ)
這種3總線(xiàn)轉換器可方便地實(shí)現不同端口設備之間的數據通信，USB－CAN的轉換速率可以達到1Mb/s。如果現場(chǎng)條件要求較高且適應性要求較強，可采用雙CPU、加數據緩沖區RAM等措施來(lái)完善電路。這樣無(wú)形中增加了硬件電路的復雜性和軟件設計的邏輯性。
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