基于CP2102高速USB2.0-CAN適配卡的設計

摘要：基于橋接芯片CP2102，設計了USB2.0-CAN的適配卡。系統采用USB和CAN接收中斷、通信同步的握手協(xié)議等方式，解決了USB的高速率和CAN的低速率、USB的大數據包與CAN的小數據包之間的矛盾，實(shí)現了USB數據與CAN數據之間的協(xié)議轉換和轉發(fā)。
關(guān)鍵詞：CP2102；CAN控制器；協(xié)議轉換；USB2.0

引言

　　控制器局域網(wǎng)(CAN) 是德國B(niǎo)OSCH公司于1986年為解決汽車(chē)內部測量與執行部件之間的數據通信而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議。它的網(wǎng)絡(luò )模型結構包括物理層、 數據鏈路層和應用層，以雙絞線(xiàn)為信號傳輸介質(zhì)，通信速率最高可達1Mbps ( 40m )，直接傳輸距離最遠可以達到10km/5Kbit/s，每條總線(xiàn)可掛接設備多達110個(gè)，特別適用于實(shí)時(shí)性要求很高的網(wǎng)絡(luò )。由于其多主的工作方式、優(yōu)良的穩定性和實(shí)時(shí)性能、成熟的仲裁和同步技術(shù)，加上開(kāi)放式總線(xiàn)結構、短報文高速通訊、遠程通訊能力、超強的糾錯和擴展功能，以及控制簡(jiǎn)單、應用成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被越來(lái)越多地應用到廣大網(wǎng)絡(luò )控制系統領(lǐng)域，并被公認為最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)之一。

　　USB（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，用以實(shí)現將將計算機的各種外圍接口統一起來(lái)，用帶四根線(xiàn)（兩根電源線(xiàn)和兩根數據線(xiàn)）的接口來(lái)實(shí)現任意設備和PC機間的通訊。具有即插即用，軟硬件支持廣泛、低功耗、價(jià)格低、數據傳輸率高、擴充性好、使用靈活、硬件結構標準化高和完備的總線(xiàn)拓撲結構等特點(diǎn)，因此USB自問(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，得到廣泛的應用。

　　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)域操控終端的首要選擇。通過(guò)USB接口，在安裝必要的應用軟件和驅動(dòng)程序之后，PC能接入到各個(gè)控制系統中去。因此，為了提高應用的高效率、操控的便利性，把USB的通用型和CAN的專(zhuān)業(yè)性結合起來(lái)，達到優(yōu)勢互補，有必要設計一種高速USB2.0-CAN適配卡，以實(shí)現USB2.0通信協(xié)議與CAN總線(xiàn)通信協(xié)議的轉換。

系統結構

　　系統主要包含三部分：微控制器、USB接口和CAN接口的控制部分（見(jiàn)圖1）。其中C8051F040作為系統微控制器。USB接口功能控制器采用CP2102 USB轉UART橋接芯片。其中C8051F040作為CAN總線(xiàn)控制器負責與CAN網(wǎng)絡(luò )交換數據，CP2102實(shí)現USB口信息格式與串口格式的轉換，最后由C8051F040操作串口與CP2102交換數據，實(shí)現USB2.0到CAN總線(xiàn)協(xié)議的轉換。

圖1  USB2.0-CAN適配卡框圖

硬件實(shí)現
CP2102

　　CP2102是Silicon Labs公司的USB轉UART橋接芯片，具有集成度高、速度高、價(jià)格低廉、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能夠用最簡(jiǎn)單的外部電路，最少的外部器件簡(jiǎn)便地實(shí)現USB到UART的轉換。CP2102 包含USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部的調制解調器控制信號的異步串行數據總線(xiàn)（UART）。CP2102的內部結構如圖2所示，內置有與計算機通信的協(xié)議，工作時(shí)，提供的免費的實(shí)用COM口器件驅動(dòng)器允許一個(gè)基于CP2102的產(chǎn)品作為的一個(gè)口使用，也就是通常所說(shuō)的產(chǎn)生一個(gè)虛擬的口，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。

圖2  CP2102的內部結構圖

微控制器

　　系統采用Silicon Laboratories公司推出的混合信號系統級單片機C8051F040作為系統的控制器，內部集成的CAN控制器包括一個(gè)CAN內核、消息RAM(獨立于CIP-51內核)、消息處理單元、控制寄存器等但是沒(méi)有提供物理層的驅動(dòng)器，要實(shí)現與CAN總線(xiàn)的接口，還需接口控制器,例如82C250、TJA1050等。數據接收和濾波都是由CAN控制器完成的,不需要CIP-51內核的參與，通過(guò)這種方式使CAN通訊時(shí)占用的系統資源最小。CIP-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。

電路設計

　　系統電路如圖3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、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)人終止模式。在進(jìn)人終止模式時(shí)，CP2102會(huì )發(fā)SUSPEND和信號。但是，SUSPEND和在CP2102復位期間會(huì )暫時(shí)處于高電平。為避免這種情況出現，需要用一個(gè)l0kΩ的電阻來(lái)確保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端接地相連,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，不僅提高了節點(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)上的其它節點(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。

圖3  適配卡的硬件設計

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、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，否則可能會(huì )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)，作為緩沖再進(jìn)一步處理。在中斷服務(wù)程序的數據接收時(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)，屬較慢操作，采用定時(shí)查詢(xún)式發(fā)送。CAN接收任務(wù)每次直接轉發(fā)CAN接口收到的8字節數據到USB接口發(fā)送緩沖區，采用兩個(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)始運行不再等待其它事件，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[5]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，按照USB協(xié)議規范的數據格式對主機應答。主要用于USB設備枚舉階段，與主機之間的信息交換。其它時(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[6]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，然后分解成小于等于8字節數據包，增加CAN總線(xiàn)協(xié)議數據包頭，送入C8051F040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_ Buf[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<5ms)，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[6]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)

　　設計在充分遵守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)，很好的解決了USB的高速率和CAN的低速率、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，協(xié)議的可靠轉換。使CAN的專(zhuān)業(yè)化操作和實(shí)踐通過(guò)USB變得更加靈活方便。

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