基于USB的CAN总线适配器设计

摘要：提出一种使用USB接口实现CAN总线网络与计算机连接的方案。讨论了CAN总线与计算机之间的硬件接口电路，同时分析了固件编程方法及USB驱动程序设计思路。

关键词：USB CAN总线 固件编程 适配器

现场总线作为二十世纪80年代发展起来的新兴技术，在工业现场已有了广泛的应用。在比较有影响力的几种现场总线中，CAN总线以其突出的优点不仅大量应用于工业现场，而且在楼宇自动化、智能终端设备等民用领域也有了长足的发展。

现场总线网络技术的实现需要与计算机相结合。以往CAN总线网络与计算机的连接采用RS232、ISA或PCI接口。但是随着计算机接口技术的发展，ISA接口已经逐渐被淘汰；RS232接口数据传输率太低；PCI虽然仍是高速外设与计算机接口的主要渠道，但其主要缺点是占用有限的系统资源、设计复杂、需有高质量的驱动程序保证系统的稳定，且无法用于便携式计算机的扩展。随着USB1.1、USB2.0规范的相继制定，为外设与计算机的接口提出了新的发展方向。USB的主要特点有：外设安装简单，可实现热插拨；通讯速率高，USB1.1全速传送速率为12Mbps，与标准串行端口相比，大约快100倍；支持多设备连接；提供内置电源。

本文给出一种在Windows2000下使用USB1.1协议实现CAN总线适配器的设计方法。整个设计主要开发适配器的固件及计算机的驱动程序、应用程序，以达到用USB接口连接现场CAN总线网络的目的。

图1

1 适配器硬件接口设计

适配器硬件电路由微控制器、CAN总线接口、USB总线接口和DC-DC隔离电源模块等组成。原理框图如图1所示。

微控制器P89C51RD2是Philips公司生产的增强型MCS-51兼容单片机，片内集成64KB闪存和1KB扩展RAM，双数据指针，4级中断优先级，7个中断源，内置看门狗，可编程时钟输出，在6时钟模式下工作，速度是标准51单片机的两倍。此时外部最高频率可达20MHz。在高速、大程序容量、中小规模数据处理场合是一款非常理想的单片机型。

CAN总线接口使用Philips公司的独立CAN总线控制器SJA1000，并由光耦6N136进行总线隔离。SJA1000是一种独立控制器，用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制，符合CAN2.0A和2.0B规范，最高速率可在达1Mbps。CAN总线收发器采用PCA82C250。

PDIUSBD12是Philips公司推出的全速USB接口器件，完全兼容USB1.1规范。图1中D+引脚信号电平通过器件SoftConnect命令内部上拉，从而向主机表示为一个全速设备。EOT引脚自动检测USB接口的VBUS电压以确定USB电缆是否连接到了主机。SUSPEND是双向引脚，用以向微控制器指示器件是否挂起。当有USB总线事件发生时，引脚向微控制器发出中断信号。PDIUSBD12支持总线复用和非复用两种并行接口模式，以方便连接不同类型的微控制器。图1中采用总线复用方式，当用奇数地址访问PDIUSBD12时被认为是命令，偶数地址访问则被认为是数据读写。

各器件都需要外部时钟信号，而且它们自身也都有可编程的时钟输出功能，这就给系统的时钟设计带来了便利。图1中微控制器6时钟运行模式下，外部为12MHz晶振。P89C51RD2的P1.1引脚产生6MHz方波作为PDIUSBD12的输入时钟；通过PDIUSBD12的SetMode寄存器编程使CLKOUT输出时钟频率为24MHz，作为SJA1000的外部输入时钟。

2 软件设计

软件设计包括微控制器的固件设计和计算机端USB驱动程序两部分。

2.1 微控制器固件编程

固件编程是USB数据传输系统中终端设备程序设计的一个重要概念。微控制器通过固件是程序与计算机进行数据交换。固件设计的目的是：使PDIUSBD12在USB上达到最大的传输速率；增加系统的可扩展性和硬件无关性。

固件要实现的内容：一是对SJA1000初始化，接收CAN总线送来的数据，收集CAN网络状态信息，并将主机的数据下发到CAN网络；二是对PDIUSBD12初始化，完成USB总线连接过程，并组织CAN网络和主机之间的数据传送。设计中采用KeilC51软件编译环境，C51和ASM混合编程方式。

SJA1000和PDIUSBD12都有完善的中断机制，微控制器可以通过读它们的中断寄存器获得总线事件。为了提高固件的运行效率，主程序对系统进行实始化后开放中断，在中断服务程序中对事件进行分析和必要的处理，并设置相应的变量标志和数据缓冲区。主程序则循环查询变量标志，调用相应的子程序进行处理。这种程序结构使得主程序能够在前台处理各种数据传送任务，同时又可以通过中断在后台及时处理总线事件。

2.1.1 CAN协议实现

SJA1000支持BasicCAN和PeliCAN两种协议模式。在适配器设计中采用了BasicCAN模式。中断设为电平中断方式，SJA1000中断服务程序框图如图2所示。

2.1.2 USB1.1协议实现

PDIUSBD12支持所有的四种USB数据传输方式。在适配器的设计中使用了控制传输、中断传输和批量传输。控制传输中只用来传递控制信息，固定使用端点0；中断传输使用端点1，用来传送CAN网络状态信息；批量传输用来实现主机和CAN网络节点之间的数据传送，使用端点2。图3是PDIUSBD12中断服务程序框图。