USB－CAN－RS232總線轉(zhuǎn)換電路設計及實現(xiàn)

1 引言

隨著電子設備的大量出現(xiàn)及針對各種控制系統(tǒng)的實際需求，各種通信網(wǎng)絡相繼產(chǎn)生。由于它們的總線結(jié)構，通信協(xié)議及傳輸特點各不相同，給不同設備之間的連接帶來很多麻煩，因而急需各種總線之間的轉(zhuǎn)換裝置。目前較流行的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡有rs－232，rs422/485、hart、profield、dupline、can和lonworks等，本文闡述了一種usb－can－rs232三總線轉(zhuǎn)換裝置，電路設計簡單新穎，并并且攜帶方便，實用性很強。

2 各種總線的特點

2.1 can（controller area netwrok）

can是控制器局域網(wǎng)絡，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇。與一般的通信總線相比，can總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，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，而且采用總線仲裁技術，通信方式靈活，越來越受到人們的重視，它在汽車領域的應用最為廣泛，一些著名的汽車制造廠商如benz（奔馳）、bmw（寶馬）、porsche（保時捷）、rolls－royce（勞斯萊斯）和jaguar（美洲豹）等都采用can總線實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構間的數(shù)據(jù)通信。

2.2 usb（universal serial bus）

usb即"通用串行總線"是一種應用在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）的功能，usb具有以下特點：

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事務處理包括錯誤檢測機制，可以確保數(shù)據(jù)無錯誤發(fā)送，在發(fā)生錯誤時，事務處理可以重新進行。
3）同時掛接多個usb設備，每個usb總線支持127個設備的連接。
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，可以直接從usb總線獲取電源，這樣，usb設備無需專用電源線，從而降低了設備成本。
5）支持熱拔。usb實現(xiàn)了真正的"即插即用"功能，設備連接后由usb自檢測，并且由軟件自動配置，完成后立刻就能使用，不需要用戶進行干涉。

3 器件特性

3.1 sja1000型can總線控制器

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：

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(jié)的fifo結(jié)構；
支持can2.0b；
支持11位和29位識別碼；
位速率可達1mbit/s；
時鐘頻率高達24m赫茲；
支持與不同微處理器的接口；
可編程的can輸出驅(qū)動配置；
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(nèi)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、接收過濾器asp、位時序處理邏輯btl、錯誤管理邏輯eml、內(nèi)部振蕩器及復位電路等構成，iml接收來自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(shù)據(jù)寫入txb，txb中的數(shù)據(jù)由bsp處理后經(jīng)btl輸出到can bus。btl始終監(jiān)視can bus，當檢測到有效的信息頭"隱性電平－控制電平"的轉(zhuǎn)換時啟動接收過程，接收的信息首先要由位流處理器dsp處理，并由asp過濾，只有當接收的信息的識別碼與asp檢驗相符時，接收信息才最終被寫入rxb或rxfifo中，rxfifo最多可以緩存64字節(jié)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可被cpu讀取，eml負責傳遞層中調(diào)制器的錯誤管制，它接收bsp的出錯報告，促使dsp和iml進行錯誤統(tǒng)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(wěn)定電源、串行接口引擎sie、多個usb端點緩沖fifo、1個8位并行微處理器接口和1個時鐘源。

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(shù)據(jù)快速自動傳輸；
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(nèi)部48m赫茲時鐘產(chǎn)生電路；
時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(shù)據(jù)復用型和非地址/數(shù)據(jù)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的時鐘輸出為at89c51提供時鐘輸入。at89c51通過并行地址/數(shù)據(jù)復用的方式訪問usbn9603，at89c51的p2.0通過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(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的幀處理，其地址為0x000－0x0ff。at82c50作為can控制器和物理總線之間的接口，用于提供總線的差動發(fā)送能力和can控制器差動接收能力。通過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實現(xiàn)，其作用是防止串入信號的干擾。max232用來完成rs232電平到微控制器接口電路的ttl電平轉(zhuǎn)換，同時還可進行一些總線端口的工作參數(shù)設置。

5 軟件設計

在微控制器的控制下，各總線之間進行數(shù)據(jù)交換，微控制器先對各個總線工作參數(shù)進行初始化，設置好時鐘、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、時鐘分頻寄存器cdr、總線定時寄存器btr0、總線定時器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(nèi)部寄存器和fifo緩沖區(qū)分別對每個端點進行控制，當接到主機法來的in標記包時，發(fā)送端點應自動向上發(fā)送數(shù)據(jù)。如果沒有數(shù)據(jù)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，一定要正確選擇需要傳輸數(shù)據(jù)的2種總線，可以用軟件或硬件進行選擇。

6 結(jié)束語

這種3總線轉(zhuǎn)換器可方便地實現(xiàn)不同端口設備之間的數(shù)據(jù)通信，usb－can的轉(zhuǎn)換速率可以達到1mb/s。如果現(xiàn)場條件要求較高且適應性要求較強，可采用雙cpu、加數(shù)據(jù)緩沖區(qū)ram等措施來完善電路。這樣無形中增加了硬件電路的復雜性和軟件設計的邏輯性。