CP2102與C8051的USB

1、cp2102與c8051的usbcan(controller area network，控制器局域網(wǎng))是德國bosch公司在20世紀(jì)80年月初為解決汽車中眾多控制與測試儀器間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，主要用于各種設(shè)備檢測及控制。是一種多主機控制局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，具有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、多主節(jié)點、無損仲裁、高牢靠性及擴充性能好等特點，能有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)。一方面，其通信方式靈便，可實現(xiàn)多主方式工作，還可實現(xiàn)點對點、點對多點等多種數(shù)據(jù)收發(fā)方式；另一方面，它能在相對較大的距離間舉行較高位速率的數(shù)據(jù)通信。因此無論是在高速網(wǎng)絡(luò)還是在低成本的節(jié)點系統(tǒng)，can總線都得到了

2、廣泛的應(yīng)用。(universal serial bus，通用串行總線)是1995年以intel為首的7家公司推出的一種協(xié)議規(guī)范，具有即插即用、軟硬件支持廣泛、功耗低、價格低、數(shù)據(jù)傳輸率高、硬件結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化和總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完備等特點，因此usb自1995年問世以來，顯示出了強大的生命力。在以計算機為上位機的控制系統(tǒng)中，usb口比較適合作為計算機與測控網(wǎng)絡(luò)的接口。隨著計算機技術(shù)的飛快進(jìn)展，pc這個已經(jīng)把usb采用為通用總線和通用接口標(biāo)準(zhǔn)的控制器幾乎已經(jīng)成為各個領(lǐng)域操控終端的不二之選。只要接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，并安裝須要的應(yīng)用軟件和驅(qū)動程序，pc就能接入到各個控制系統(tǒng)中去。因此，為了應(yīng)用的高效率和操控的方便性，

3、徹低有須要采納技術(shù)手段實現(xiàn)通過pc的usb接口接入can專業(yè)網(wǎng)絡(luò)，把usb的通用性和can的專業(yè)性結(jié)合起來，把它們的優(yōu)勢融合。1 芯片的挑選11 cp2102芯片介紹cp2102是silicon labs公司研發(fā)的一種高度集成的usb轉(zhuǎn)uart橋接芯片，具有價格低、開發(fā)容易等特點，能夠用最容易的外部和最少的外部器件簡便地實現(xiàn)usb到uart的轉(zhuǎn)換。cp2102包含usb2o全速功能控制器、usb、和帶有所有調(diào)制解調(diào)器控制信號的異步串行數(shù)據(jù)總線(uart)。該芯片的所有功能集成在一個5mm×5 mm的qfn28封裝的ic中。cp2102內(nèi)置與計算機通信的協(xié)議，工作時，所提供的免費的有用

4、com口器件驅(qū)動器允許基于cp2102的產(chǎn)品將其作為1個口用法，也就是通常所說的產(chǎn)生1個虛擬的口，而電路無需任何外部的usb器件即可工作，工作特性可以滿足can總線的傳輸波特率要求。12 c8051f040芯片介紹c8051f系列是silicon labs公司推出的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與80c51兼容的cip一51內(nèi)核，命令集與mcs一51徹低兼容。c8051f040內(nèi)部集成的can控制器包括一個can內(nèi)核、消息ram(自立于cip一51內(nèi)核)、消息處理單元、控制寄存器等。c8051f040內(nèi)部的can控制器是一個協(xié)議控制器，它并沒有提供物理層的驅(qū)動器，實現(xiàn)與can總線的接口，例如82c2

5、50、tjal050等。數(shù)據(jù)接收和濾波都由can控制器完成，不需要cip一51內(nèi)核的參加。通過這種方式使can通信時占用的系統(tǒng)資源最小。cip一51內(nèi)核通過其內(nèi)部的特別功能寄存器來配置can控制器以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。c8051f040內(nèi)部的can結(jié)構(gòu)框圖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(shù)寄存器、位定時寄存器、波特can控制器、處理中斷、監(jiān)視總線狀態(tài)、設(shè)定控制器的測試模式等。can控制器收發(fā)的數(shù)據(jù)存放在消息ram中，can處理器有32個消息目標(biāo)，可以通過配置用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。這些消息ram的數(shù)據(jù)不能被挺直拜訪，而

6、必需通過接口寄存器ifl或if2來拜訪。除此之外，可以被挺直拜訪的寄存器是canocn、canosta、canotst。can內(nèi)部其他不能被挺直拜訪的寄存器通過canoadr、canodath、canodatl這三個寄存器來拜訪，這三個寄存器分離表示要拜訪的寄存器的地址和數(shù)據(jù)，向canoadr中寫入要拜訪的寄存器地址后，對canodat的讀寫就相當(dāng)于讀寫相應(yīng)的寄存器。因為c8051f040內(nèi)部集成了can總線控制器，所以只需外加總線驅(qū)動器并加上適當(dāng)?shù)母綦x就可以了，電路顯得十分簡潔。2 硬件實現(xiàn)系統(tǒng)電路2所示，由cp2102、c8051f040、can驅(qū)動芯片pca82c250以及光電隔離芯片6

7、n137等組成。cp2102的rtx、txd引腳分離是串口的接收及輸出端，與單片機的對應(yīng)引腳相連。usb的終止和復(fù)原信號支持功能便于cp2102器件以及外部電路的。當(dāng)在總線上檢測到終止信號時，cp2102將進(jìn)入終止模式。在進(jìn)入終止模式時，cp2102會發(fā)suspend和suspend信號。但是，suspend和suspend在cp2102復(fù)位期間會臨時處于高電平。為避開這種狀況浮現(xiàn)，需要用1個10k的來確保suspend在復(fù)位期間保持在低電平。pca82c250是can收發(fā)器，可增強總線驅(qū)動能力，rs端接地，系統(tǒng)處于高速工作方式。6n137是光電隔離芯片，can總線信號cantx和canrx從

8、c8051f040出來后先分離經(jīng)過高速光耦6n137舉行電氣隔離，再經(jīng)過can總線控制器接口芯片82c250驅(qū)動，然后接到can數(shù)據(jù)線上。6n137實現(xiàn)智能節(jié)點與can總線之間的電氣隔離，不但提高了節(jié)點的牢靠性和系統(tǒng)的抗干擾能力，而且也庇護(hù)了總線及總線上的其他節(jié)點。總線兩端124的電阻對，防止通信信號傳輸?shù)綄?dǎo)線端點時發(fā)生反射。3 usb與can之間協(xié)議轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)設(shè)計在充分遵守usb和can協(xié)議的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了usb數(shù)據(jù)與can數(shù)據(jù)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)。在設(shè)計過程中，usb的高速率和can的低速率，以及usb的大數(shù)據(jù)包和can的小數(shù)據(jù)包之間存在著沖突，必需仔細(xì)解決，否則可能造成數(shù)據(jù)走失、協(xié)議轉(zhuǎn)換

9、不行靠、設(shè)備工作不穩(wěn)定。本設(shè)計中usb和can都采納了接收中斷方式，將usb和can的數(shù)據(jù)包先存儲下來，作為緩沖進(jìn)一步處理。在接收中斷服務(wù)程序的數(shù)據(jù)時，惟獨將數(shù)據(jù)精確地收取下來，才將接收緩沖區(qū)釋放，在此之前否決接收新的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)發(fā)送時，先確認(rèn)發(fā)送緩沖區(qū)可用才寫入數(shù)據(jù)。因為兩端接口芯片都有內(nèi)部的發(fā)送和接收緩沖區(qū)，主程序的主要任務(wù)就是完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，以及提供通信同步的握手協(xié)議，防止數(shù)據(jù)走失和挨次錯誤。相對于can總線傳輸速率，usb總線速率要高得多，128字節(jié)的緩沖區(qū)也比can總線芯片8字節(jié)緩沖區(qū)大得多。因此，向can接口發(fā)送數(shù)據(jù)需要完成拆包和重新打包的任務(wù)，屬較慢的操作，采納定時查詢式發(fā)送。c

10、an接收任務(wù)時，每次盲接轉(zhuǎn)發(fā)can接口收到的8字節(jié)數(shù)據(jù)到usb接口發(fā)送緩沖區(qū)，采納2個信號量(canrcv，usbwr)完成數(shù)據(jù)同步操作。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作共有以下4個任務(wù)協(xié)調(diào)協(xié)作完成。(1)usb中斷后續(xù)處理任務(wù)cp2102接收到數(shù)據(jù)或發(fā)送完成，都會觸發(fā)中斷程序運行。中斷處理程序只需要容易地通知此任務(wù)有中斷發(fā)生，以盡量削減中斷關(guān)閉的時光。因此，這個任務(wù)的優(yōu)先級最高，并且一旦開頭運行便不再等待其他大事，要盡快處理完成。此任務(wù)按照usb接口的不同中斷緣由，通知其他任務(wù)舉行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理或轉(zhuǎn)發(fā)工作。(2)控制端點信息處理任務(wù)當(dāng)usb接口接收到主機發(fā)來的usb協(xié)議信息時，此任務(wù)得到通知。按照主機的要求，該

11、任務(wù)根據(jù)usb協(xié)議規(guī)范的數(shù)據(jù)格式對主機應(yīng)答。它主要用于usb設(shè)備枚舉階段，與主機之間舉行信息交換。其他時光，此任務(wù)不占用處理器時光。(3)can總線發(fā)送任務(wù)當(dāng)usb接口有新的數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)發(fā)到can總線時，usb中斷后續(xù)處理任務(wù)通知此任務(wù)運行。讀出usb芯片接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)到內(nèi)存緩沖區(qū)，然后分解成小于或等于8字節(jié)的數(shù)據(jù)包，增強can總線協(xié)議數(shù)據(jù)包頭，送入c805lf040的發(fā)送緩沖區(qū)。微處理器的主要處理時光就是usb數(shù)據(jù)包的分解和重新打包發(fā)送。此任務(wù)占用處理器的時光最長。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，開頭讀取cp2102接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)到內(nèi)存數(shù)組ep2out_bur1

12、28，然后采納查詢式發(fā)送方式，將數(shù)據(jù)送到c8051f040的發(fā)送緩沖區(qū)，每次8字節(jié)。在查詢過程中，假如c8051f040處于正在發(fā)送中，將任務(wù)休眠3個時鐘嘀嗒(5 ms)，然后再次查詢，避開長時光占用處理器。(4)can總線接收任務(wù)當(dāng)can總線接收到數(shù)據(jù)后，因為數(shù)據(jù)包最多惟獨8個字節(jié)，因此可以一次放入usb接口芯片發(fā)送緩沖區(qū)，由主機讀取。此任務(wù)很少占用處理器時光。主要是為了協(xié)調(diào)can總線與usb總線之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的同步，使數(shù)據(jù)包可以根據(jù)本來的挨次接收到，并且不籠罩尚未發(fā)送的上一個數(shù)據(jù)包，避開數(shù)據(jù)走失。can接收中斷首先讀c8051f040中斷寄存器，清除中斷標(biāo)記。然后觸發(fā)canrcv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)usbwr信號量，表示usb接口可以發(fā)送新的數(shù)據(jù)。因為usb接口緩沖區(qū)較大，并且發(fā)送速度快，can接收任務(wù)挺直