基于ARM7的CAN-USB轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

　　摘要： 設(shè)計(jì)了一種CAN-USB轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了CAN總線與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信，完成了對(duì)CAN總線通信的實(shí)時(shí)信息采集。

　　關(guān)鍵詞： USB;CAN總線;LPC2119

　　引言

　　ABS(防抱死剎車(chē)系統(tǒng))ECU(電控單元)在研發(fā)過(guò)程中，為了實(shí)時(shí)確定其行車(chē)參數(shù)和控制參數(shù)，通常會(huì)使用標(biāo)定技術(shù)，標(biāo)定技術(shù)就是通過(guò)一定的命令對(duì)ECU上傳和讀取控制算法參數(shù)，以達(dá)到對(duì)其實(shí)時(shí)修改以尋求最優(yōu)的技術(shù)。對(duì)于車(chē)載電控單元來(lái)說(shuō)，其通常只有CAN總線通信接口，為了能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和ECU能直接進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)利用標(biāo)定技術(shù)對(duì)ABS ECU 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款能實(shí)現(xiàn)CAN到USB的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。CAN通信協(xié)議是一種用于汽車(chē)內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。而USB具有即插即用的優(yōu)點(diǎn)，并且有較高的通信速率，對(duì)于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信進(jìn)行標(biāo)定十分方便。我們?cè)O(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采用了NXP公司的LPC2119 ARM7處理器，通過(guò)它成功地實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和ECU的可靠通信和對(duì)下位機(jī)的標(biāo)定。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　LPC2119 ARM7處理器

　　LPC2119是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32 ARM7TDMI-S CPU 的微控制器，并帶有128/256kB嵌入的高速Flash 存儲(chǔ)器。128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。

　　USB轉(zhuǎn)換芯片CH372

　　CH372 是一個(gè)USB 總線的通用設(shè)備接口芯片，在本地端，CH372 具有8 位數(shù)據(jù)總線和讀、寫(xiě)、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到控制器的系統(tǒng)總線上; CH372 內(nèi)置了USB 通訊中的底層協(xié)議，在內(nèi)置固件模式下，CH372自動(dòng)處理默認(rèn)端點(diǎn)0 的所有事務(wù)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　轉(zhuǎn)換器直接使用USB的5V供電，使用了LM1117將5V電源轉(zhuǎn)換成3.3V和1.8V以供ARM處理器及其外圍模塊使用，對(duì)于CAN控制器輸出的邏輯電平用TJA1050轉(zhuǎn)換成差分電平輸出CH372的設(shè)計(jì)十分重要，外接電容用于CH372 內(nèi)外部電源節(jié)點(diǎn)去耦。在LPC2119的各電壓引腳分別接了0.01mf的電容進(jìn)行濾波。在USB轉(zhuǎn)換芯片的設(shè)計(jì)中，可選4.7kW電阻用于在電源斷電后將電解電容中的電能及時(shí)釋放掉，使VCC 及時(shí)下降到0V，確保在下次通電時(shí)CH372 能夠可靠地上電復(fù)位。為使CH372 能夠可靠復(fù)位，電源電壓從0V 上升到5V 的上升時(shí)間應(yīng)該少于100ms，所以電容的容量和電阻的阻值都不能太大。用15pF 的獨(dú)石或高頻瓷片電容作為CH372的時(shí)鐘振蕩電路的起振電容。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分框圖如圖1。

圖1   轉(zhuǎn)換器框圖

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)程序主要包括CAN控制器驅(qū)動(dòng)程序，USB控制芯片CH372驅(qū)動(dòng)程序，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)，以及如何調(diào)用CAN和USB的讀寫(xiě)函數(shù)使數(shù)據(jù)的通信更好的同步。

　　CAN驅(qū)動(dòng)程序

　　根據(jù)LPC2119微處理器CAN 控制器的特性，將CAN 的驅(qū)動(dòng)程序分為3 個(gè)層次：1.硬件抽象層：將CAN 控制器的硬件特性用數(shù)據(jù)類型進(jìn)行抽象，并提供CAN 控制器硬件操作的接口。對(duì)物理層的寄存器和相應(yīng)地址影射，定義了CAN 控制器寄存器的數(shù)據(jù)類型和對(duì)寄存器的操作方法。2.功能函數(shù)層：CAN 控制器各種功能的實(shí)現(xiàn)函數(shù)，該層的函數(shù)利用硬件抽象層中對(duì)寄存器操作的接口來(lái)訪問(wèn)CAN 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)各種CAN 控制器所能提供的功能。3.應(yīng)用程序接口層：在該層中的主要提供給3 個(gè)函數(shù)，初始化CAN 控制器CANinit()、發(fā)送數(shù)據(jù)CANSendData()、接收數(shù)據(jù)CANRecieveData()。

　　CH372驅(qū)動(dòng)程序

　　CH372 芯片在本地端提供了通用的被動(dòng)并行接口。CH372 芯片的讀寫(xiě)時(shí)序主要要求讀寫(xiě)使能信號(hào)有一個(gè)2~10ms的持續(xù)時(shí)間，并且在a0=1時(shí)寫(xiě)入命令，a0=0時(shí)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。在本設(shè)計(jì)中，用LPC2119的IO口來(lái)表示CH372的各信號(hào)，并需要嚴(yán)格按照其時(shí)序要求用軟件模擬其讀寫(xiě)時(shí)序，一個(gè)典型的寫(xiě)數(shù)據(jù)子函數(shù)如下：

　　USBWriteData(uint32 Data)

　　{

　　………………………

　　IO0CLR=0x00000010; //a0=0,表示以下

　　寫(xiě)入為數(shù)據(jù)

　　IO0PIN=Data; //向數(shù)據(jù)端口寫(xiě)入數(shù)據(jù)

　　IO0SET=0x00000020; //rd=1，讀信號(hào)無(wú)效

　　IO0CLR=0x00000040; //wr=0，寫(xiě)使能

　　Delay8us(1); //延時(shí)8us，表示寫(xiě)信號(hào)

　　有效寬度

　　IO0SET=0x00000060;

　　…………………………

　　}

　　在以上程序中，對(duì)各端口的操作先后代表了CH372的讀寫(xiě)時(shí)序信號(hào)的先后，適當(dāng)?shù)难訒r(shí)表示有效的寫(xiě)/讀選通脈沖WR/RD的寬度，其典型值為90到10000ns，我們選擇25ms。同理可得寫(xiě)命令，讀數(shù)據(jù)子函數(shù)：USBWriteCMD (uint32 CMD)，USBReadData( )。調(diào)用以上子函數(shù)提供了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的函數(shù)： IRQ_CH372(void), UploadUSBData(unint32 Length,uint32 Data[])。

　　環(huán)形緩沖區(qū)

　　在本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了兩個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)，分別存放USB及CAN的數(shù)據(jù)，使其能同步發(fā)送，一個(gè)典型的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

　　struct CANRecRinBuf

　　{

　　Uint32 CANBuf[MAX];

　　Uint32 WritePtr;

　　Uint32 ReadPtr;

　　}

　　數(shù)據(jù)元素是無(wú)符號(hào)32位整數(shù)，MAX為環(huán)形緩沖區(qū)最大長(zhǎng)度，WritePtr為讀指針，ReadPtr為寫(xiě)指針。讀寫(xiě)指針初始化為WritePtr = ReadPtr =0。通過(guò)CAN控制器接受的數(shù)據(jù)存放在環(huán)形緩沖區(qū)CANRecRinBuf中，再讀出數(shù)據(jù)從USB端輸出，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

　　上位機(jī)監(jiān)控界面

　　安裝CH372的上位機(jī)驅(qū)動(dòng)后，基于CH372的USB設(shè)備就可以被上位機(jī)識(shí)別了。調(diào)用CH372提供的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)CH372.dll及其相應(yīng)的LIB文件CH372.Lib和頭文件CH372.h，以建立上位機(jī)的工序，調(diào)用CH372提供的庫(kù)函數(shù)CH375OpenDevice()、CH375CloseDevice()，用于打開(kāi)和關(guān)閉設(shè)備，調(diào)用CH375WriteData(); CH375ReadData()接收下位機(jī)通過(guò)CH372發(fā)送上來(lái)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)CAN總線數(shù)據(jù)的格式將其封裝成CAN格式的數(shù)據(jù)，提供對(duì)CAN數(shù)據(jù)的收發(fā)CANDownload()，CANUpload()。用C++設(shè)計(jì)相應(yīng)的圖形界面以實(shí)現(xiàn)和下位機(jī)的通信。

　　結(jié)語(yǔ)

　　在ABS ECU的研發(fā)項(xiàng)目中，我們使用了此轉(zhuǎn)換器將ECU的CAN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USB數(shù)據(jù)和上位機(jī)通信，ECU上傳需監(jiān)控參數(shù)，上位機(jī)下傳標(biāo)定參數(shù)。其硬件上使用ARM7內(nèi)核的LPC2119作為控制器，以及底層軟件的設(shè)計(jì)確保了轉(zhuǎn)換器在實(shí)際的ECU開(kāi)發(fā)的CCP標(biāo)定的工程中，在大量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)倪^(guò)程中有較好的可靠性。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. QinHeng Electronics.CH372 Datasheet[EB/OL].http://winchiphead.com/,2006

　　2. Philips.LPC2119 Datasheet[EB/OL].http://www.zlgmcu.com/,2006