基于CP2102高速USB2.0-CAN適配卡的設(shè)計(jì)

摘要：基于橋接芯片CP2102，設(shè)計(jì)了USB2.0-CAN的適配卡。系統(tǒng)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(shù)據(jù)包與CAN的小數(shù)據(jù)包之間的矛盾，實(shí)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)。
關(guān)鍵詞：CP2102；CAN控制器；協(xié)議轉(zhuǎn)換；USB2.0

引言

　　控制器局域網(wǎng)(CAN) 是德國(guó)BOSCH公司于1986年為解決汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它的網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)包括物理層、 數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，以雙絞線為信號(hào)傳輸介質(zhì)，通信速率最高可達(dá)1Mbps ( 40m )，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到10km/5Kbit/s，每條總線可掛接設(shè)備多達(dá)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(wěn)定性和實(shí)時(shí)性能、成熟的仲裁和同步技術(shù)，加上開(kāi)放式總線結(jié)構(gòu)、短報(bào)文高速通訊、遠(yuǎn)程通訊能力、超強(qiáng)的糾錯(cuò)和擴(kuò)展功能，以及控制簡(jiǎn)單、應(yīng)用成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被越來(lái)越多地應(yīng)用到廣大網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)領(lǐng)域，并被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一。

　　USB（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，用以實(shí)現(xiàn)將將計(jì)算機(jī)的各種外圍接口統(tǒng)一起來(lái)，用帶四根線（兩根電源線和兩根數(shù)據(jù)線）的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)任意設(shè)備和PC機(jī)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(shù)據(jù)傳輸率高、擴(kuò)充性好、使用靈活、硬件結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化高和完備的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，因此USB自問(wèn)世以來(lái)，顯示出了強(qiáng)大的生命力，在以計(jì)算機(jī)為上位機(jī)的控制系統(tǒng)中，得到廣泛的應(yīng)用。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，PC這個(gè)已經(jīng)把USB采納為通用總線和通用接口標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用軟件和驅(qū)動(dòng)程序之后，PC能接入到各個(gè)控制系統(tǒng)中去。因此，為了提高應(yīng)用的高效率、操控的便利性，把USB的通用型和CAN的專業(yè)性結(jié)合起來(lái)，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有必要設(shè)計(jì)一種高速USB2.0-CAN適配卡，以實(shí)現(xiàn)USB2.0通信協(xié)議與CAN總線通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)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(tǒng)微控制器。USB接口功能控制器采用CP2102 USB轉(zhuǎn)UART橋接芯片。其中C8051F040作為CAN總線控制器負(fù)責(zé)與CAN網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，CP2102實(shí)現(xiàn)USB口信息格式與串口格式的轉(zhuǎn)換，最后由C8051F040操作串口與CP2102交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)USB2.0到CAN總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

圖1  USB2.0-CAN適配卡框圖

硬件實(shí)現(xiàn)
CP2102

　　CP2102是Silicon Labs公司的USB轉(zhuǎn)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(xiàn)USB到UART的轉(zhuǎn)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(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)的異步串行數(shù)據(jù)總線（UART）。CP2102的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，內(nèi)置有與計(jì)算機(jī)通信的協(xié)議，工作時(shí)，提供的免費(fèi)的實(shí)用COM口器件驅(qū)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，工作特性可以滿足CAN總線的傳輸波特率要求。

圖2  CP2102的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

微控制器

　　系統(tǒng)采用Silicon Laboratories公司推出的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)C8051F040作為系統(tǒng)的控制器，內(nèi)部集成的CAN控制器包括一個(gè)CAN內(nèi)核、消息RAM(獨(dú)立于CIP-51內(nèi)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(qū)動(dòng)器，要實(shí)現(xiàn)與CAN總線的接口，還需接口控制器,例如82C250、TJA1050等。數(shù)據(jù)接收和濾波都是由CAN控制器完成的,不需要CIP-51內(nèi)核的參與，通過(guò)這種方式使CAN通訊時(shí)占用的系統(tǒng)資源最小。CIP-51內(nèi)核通過(guò)其內(nèi)部的特殊功能寄存器來(lái)配置CAN控制器以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)電路如圖3所示，由CP2102、C8051F040、CAN驅(qū)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(jī)的對(duì)應(yīng)引腳相連。USB的終止和恢復(fù)信號(hào)支持功能便于CP2102器件以及外部電路的電源管理。當(dāng)在總線上檢測(cè)到終止信號(hào)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(hào)。但是，SUSPEND和在CP2102復(fù)位期間會(huì)暫時(shí)處于高電平。為避免這種情況出現(xiàn)，需要用一個(gè)l0kΩ的電阻來(lái)確保在復(fù)位期間保持在低電平。PCA82C250是CAN收發(fā)器，可增加總線驅(qū)動(dòng)能力，Rs端接地相連,系統(tǒng)處于高速工作方式。6N137是光電隔離芯片，CAN總線信號(hào)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總線控制器接口芯片82C250驅(qū)動(dòng)，然后接到CAN數(shù)據(jù)線上。6N137實(shí)現(xiàn)智能節(jié)點(diǎn)與CAN總線之間的電氣隔離，不僅提高了節(jié)點(diǎn)的可靠性和系統(tǒng)的抗干擾能力，而且也保護(hù)了總線及總線上的其它節(jié)點(diǎn)。總線兩端124Ω的電阻對(duì)，防止通信信號(hào)傳輸?shù)綄?dǎo)線端點(diǎn)時(shí)發(fā)生反射。

圖3  適配卡的硬件設(shè)計(jì)

USB與CAN之間協(xié)議轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

　　設(shè)計(jì)在充分遵守USB和CAN協(xié)議的基礎(chǔ)上，實(shí)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(jì)過(guò)程中，USB的高速率和CAN的低速率、USB的大數(shù)據(jù)包和CAN的小數(shù)據(jù)包之間存在著矛盾，必須認(rèn)真解決，否則可能會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，協(xié)議轉(zhuǎn)換不可靠，設(shè)備工作不穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)中USB和CAN都采用了接收中斷方式，將USB和CAN的數(shù)據(jù)包先存儲(chǔ)下來(lái)，作為緩沖再進(jìn)一步處理。在中斷服務(wù)程序的數(shù)據(jù)接收時(shí)，只有將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地收取下來(lái)，才將接收緩沖區(qū)釋放，在此之前拒絕接收新的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，先確認(rèn)發(fā)送緩沖區(qū)可用才寫(xiě)入數(shù)據(jù)。由于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)丟失和順序錯(cuò)誤。
相
　　對(duì)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)，屬較慢操作，采用定時(shí)查詢式發(fā)送。CAN接收任務(wù)每次直接轉(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)，采用兩個(gè)信號(hào)量(CAN-rcv，USB-wr)完成數(shù)據(jù)同步操作。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作共有4個(gè)任務(wù)協(xié)調(diào)配合完成：

　　(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(huì)觸發(fā)中斷程序運(yùn)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(jí)最高，并且一旦開(kāi)始運(yùn)行不再等待其它事件，盡快處理完成。此任務(wù)根據(jù)USB接口的不同中斷原因，通知其他任務(wù)進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理或轉(zhuǎn)發(fā)工作。

　　(2)控制端點(diǎn)信息處理任務(wù)

　　當(dāng)USB接口[5]接收到主機(jī)發(fā)來(lái)的USB協(xié)議信息時(shí)，此任務(wù)得到通知。根據(jù)主機(jī)的要求，按照USB協(xié)議規(guī)范的數(shù)據(jù)格式對(duì)主機(jī)應(yīng)答。主要用于USB設(shè)備枚舉階段，與主機(jī)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總線發(fā)送任務(wù)

　　當(dāng)USB接口有新的數(shù)據(jù)[6]要轉(zhuǎn)發(fā)到CAN總線時(shí)，USB中斷后續(xù)處理任務(wù)通知此任務(wù)運(yùn)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)，然后分解成小于等于8字節(jié)數(shù)據(jù)包，增加CAN總線協(xié)議數(shù)據(jù)包頭，送入C8051F040的發(fā)送緩沖區(qū)。微處理器的主要處理時(shí)間就是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(shí)間最長(zhǎng)。CAN發(fā)送任務(wù)每次等待USB接收中斷觸發(fā)USB_ rd信號(hào)量后，開(kāi)始讀取CP2102接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)到內(nèi)存數(shù)組Ep2out_ Buf[128]，然后采用查詢式發(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(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，避免長(zhǎng)時(shí)間占用處理器。

　　(4) CAN總線接收任務(wù)

　　當(dāng)CAN總線接收[6]到數(shù)據(jù)后，由于數(shù)據(jù)包最多只有8個(gè)字節(jié)，因此可以一次放入U(xiǎn)SB接口芯片發(fā)送緩沖區(qū)，由主機(jī)讀取。此任務(wù)很少占用處理器時(shí)間。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(shù)據(jù)包，避免數(shù)據(jù)丟失。CAN接收中斷首先讀C8051F040中斷寄存器，清除中斷標(biāo)志。然后觸發(fā)CAN-rcv信號(hào)量，使CAN接收任務(wù)得以運(yùn)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(hào)量，表示USB接口可以發(fā)送新的數(shù)據(jù)。由于USB接口緩沖區(qū)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(shù)據(jù)，送入U(xiǎn)SB接口芯片CP2012的發(fā)送緩沖區(qū)。然后打開(kāi)CAN接收中斷。 

結(jié)語(yǔ)

　　設(shè)計(jì)在充分遵守USB和CAN協(xié)議的基礎(chǔ)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(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)，很好的解決了USB的高速率和CAN的低速率、USB的大數(shù)據(jù)包與CAN的小數(shù)據(jù)包之間的矛盾，能夠保證數(shù)據(jù)完整，協(xié)議的可靠轉(zhuǎn)換。使CAN的專業(yè)化操作和實(shí)踐通過(guò)USB變得更加靈活方便。

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