USB_CAN通信轉(zhuǎn)換器設(shè)計方案

1、USB/CAN通信轉(zhuǎn)換器設(shè)計方案本文闡述了一種 USB - CAN總線轉(zhuǎn)換裝置，方便 CAN總線與計算機(jī)進(jìn)行鏈接。本設(shè)計方案主要包括：任務(wù)說明、總線簡介、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、總結(jié)等5部分。一、任務(wù)說明設(shè)計一種USB-CAN總線轉(zhuǎn)換器。完成從一臺計算機(jī)的 USB把1個數(shù)據(jù)幀（自己定義） 通過USB/CAN轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)發(fā)到 CAN總線上；另一臺計算機(jī) CAN/USB轉(zhuǎn)換接受數(shù)據(jù)。二、總線介紹CAN總線是一種流行的現(xiàn)場總線，其協(xié)議分為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層定義信號 如何發(fā)送，涉及位編碼，位定時和同步，沒有定義驅(qū)動器和接收器的特性，以便根據(jù)具體情況靈活應(yīng)用。數(shù)據(jù)鏈路層又包括媒體訪問子層MAC層和邏

2、輯鏈路子層 LLC層。MAC子層是CAN協(xié)議的核心，它可響應(yīng)報文幀，仲裁，應(yīng)答，錯誤檢測和標(biāo)定。LLC子層主要功能是報文濾波，超載通知和恢復(fù)管理。CAN總線主要有以下特點(diǎn)：.以多主方式工作，沒有主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)之分；.節(jié)點(diǎn)信息分為不同優(yōu)先級，可滿足不同實(shí)時要求；.采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，不同于以太網(wǎng)的碰撞檢測技術(shù)，而是按位對標(biāo)識符進(jìn)行仲 裁，優(yōu)先級最高的節(jié)點(diǎn)獲得總線的使用權(quán)；.采用報文濾波實(shí)現(xiàn)多種通信方式，無需專門調(diào)度。在驗(yàn)收濾波器的幫助下，CAN節(jié)點(diǎn)只接收識別碼與驗(yàn)收濾波器中預(yù)設(shè)值一致的信息；.直接通信距離最遠(yuǎn)達(dá)到 10km （5kbps以下），通信速率最高可達(dá) 1Mbps （通信距離最長為

3、 40m）;. CAN報文數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成，即幀起始，仲裁場，控制場，數(shù)據(jù)場，CRC校驗(yàn)場，ACK應(yīng)答場和幀結(jié)束。仲裁場包括標(biāo)識符（11位或29位），控制場包括數(shù)據(jù)場的字節(jié)數(shù)目，數(shù)據(jù)場可包括 08個字節(jié)；. CAN總線協(xié)議固化在相關(guān)芯片中，主要有總線控制器和總線收發(fā)器。前者完成CAN總線協(xié)議中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層中所有功能，后者提供總線驅(qū)動能力。USB即通用串行總線”是一種應(yīng)用在 PC中的表型總線，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(guī)格的廠商希望用USB取代現(xiàn)有的外接設(shè)備接口，它還具備連接單一化、軟件自動偵測以及熱插拔（即插即用）的

4、功能，USB具有以下特點(diǎn)：1）數(shù)據(jù)傳輸速率高。 USB高速：480Mb/s； USB全速：12Mb/s； USB低速：1.5Mb/s。2）數(shù)據(jù)傳輸可靠。USB事務(wù)處理包括錯誤檢測機(jī)制，可以確保數(shù)據(jù)無錯誤發(fā)送，在發(fā)生錯誤時，事務(wù)處理可以重新進(jìn)行。3）同時掛接多個 USB設(shè)備，每個USB總線支持127個設(shè)備的連接。USB接口能為設(shè)備供電。 當(dāng)外界電源要求電壓為 5V且電流小于500mA時，可以直接從USB總線獲取電源，這樣，USB設(shè)備無需專用電源線，從而降低了設(shè)備成本。5）支持熱拔。USB實(shí)現(xiàn)了真正的 即插即用 功能，設(shè)備連接后由 USB自檢測，并且由軟 件自動配置，完成后立刻就能使用，不需要用戶

5、進(jìn)行干涉。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括主控制芯片，USB通信部分以及CAN通信部分?？傮w結(jié)構(gòu)如下圖所示：USB電源USB控制器一AT89C52 CAN控制器主控制芯片選用 Atmel公司的AT89C52。USB通信采用USB控制器PDIUSBD12及USB 接口。CAN通信采用CAN總線控制器 SJA1000和CAN總線收發(fā)器82C250,在SJA1000 和CAN總線收發(fā)器82C250之間使用了 2個高速光電隔離器件 6N137實(shí)現(xiàn)了總線與控制器 的隔離，以避免干擾提高工作可靠性。USB總線接口的設(shè)計在微控制器和USB接口的選擇上有2種方式，一種是采用具備 USB通信功能的微處理器。

6、隨著USB應(yīng)用的日益廣泛，Intel, Cypress, Cypress, Philips等芯片廠商都推出了具備USB通信接口的微處理器。其中有 8x930A, 8x931A, EZUSB等。由于這些單片機(jī)具需要購買新的開發(fā)系統(tǒng)， 投資較高。有USB接口，這些芯片與過去的開發(fā)系統(tǒng)是不兼容的, 另一種是采用普通微處理器加上專用的 USB通信芯片?，F(xiàn)在的專用芯片中較流行的有Nationalsemiconductor公司的 USBN9602 , ScanLogic公司的SL11 , Philips的PDIUSBD12等。其中PDIUSBD12是一款性價比很高的 USB接口器 件，他通過并行接口與微處

7、理器進(jìn)行通信，這種接口方式使得設(shè)計者可以選擇自己熟悉的控制器進(jìn)行開發(fā)，簡化了開發(fā)難度，加快了系統(tǒng)的設(shè)計。所以本系統(tǒng)采用PDIUSBD12與Atmel 的AT89C52連接的方式進(jìn)行開發(fā)。原理圖如圖1所示。圖1: USB總線接口設(shè)計CAN總線接口的設(shè)計這部分由微處理器、CAN控制器和CAN收發(fā)器組成，微處理器負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送給 CAN 控制器，并經(jīng)由 CAN控制器、光耦以及 CAN收發(fā)器將數(shù)據(jù)發(fā)往 CAN總線，原理圖如圖2 所示。CAN總線控制器采用 Philips公司的SJA1000,并輔以該公司的 PCA82C250接口驅(qū)動 器。為了增加系統(tǒng)抗干擾能力，在 SJA1000和CAN總線收發(fā)器82

8、C250之間使用了 2個高 速光電隔離器件6N137實(shí)現(xiàn)了總線與控制器的隔離，以避免干擾提高工作可靠性。CAN控制器可以選擇從 RX0, TX0或RX1 , TX1接受發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)使用 RX0, TX0工作時，需要將RX1接到一個穩(wěn)定的電平上。ri口二二三 劉D區(qū)口區(qū) 4g圖2: CAN總線接口設(shè)計四、系統(tǒng)軟件設(shè)計設(shè)備程序主要包括： 初始化程序，前臺主程序循環(huán)，相關(guān)通信子程序，后臺中斷服務(wù)程序等組成。系統(tǒng)上電后首先對相關(guān)設(shè)備及存儲器進(jìn)行初始化操作，然后進(jìn)入主程序循環(huán)， 在主程序里通過查詢狀態(tài)位執(zhí)行相關(guān)通信程序，包括向USB發(fā)送數(shù)據(jù)子程序及向 CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)子程序。后臺中斷服務(wù)程序與前臺主程序之間的數(shù)據(jù)交換通過事件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來實(shí) 現(xiàn)。當(dāng)PDISUBD12從USB收到一個數(shù)據(jù)包，或者CAJ1000從C AN總線上收到數(shù)據(jù)包時， 對微處理器產(chǎn)生一個中斷請求，微處理器立即響應(yīng)中斷。 后臺中斷服務(wù)程序流程如圖3所示。總體軟件流程如圖4所示。圖3 :后臺中斷服務(wù)程序流程圖4:程序流程框圖具體程序略。五、總結(jié)隨著電子設(shè)備的大量出現(xiàn)及針對各種控制系統(tǒng)的實(shí)際需求，各種通信網(wǎng)絡(luò)相繼