（计算机应用技术专业论文）基于usb技术的can总线适配器的研究与开发.pdf

摘要 本文论述了基于u s b 接口技术的c a n 总线适配器的设计与实现。从计算机的 角度看该模块可以当成与计算机相连的u s b 设备；而从c a n 总线来看，通信模块 与计算机构成了c a n 总线上功能极为丰富的节点。硬件主要由8 9 s 5 2 、p d i u s b d l 2 、 s j a l 0 0 0 等部件构成。 系统采用p h i l i p s 公司的u s b 接口芯片d 1 2 与单片机进行通信，并和p c 机通 信而编制出友善的设备应用程序。该系统用u s b 总线取代了传统的r s 2 3 2 串行 总线，通过对u s b 协议和设备构架的充分理解，对以单片机8 9 s 5 2 和u s b 接口 芯片d 1 2 为主的数据采集系统进行了硬件设计和软件编程，并在此设计的基础上 给出相应的原理图和硬件开发板。硬件设计主要解决的是d 1 2 与单片机之间的接 口电路问题，软件编程大致分为三部分：一是为满足d 1 2 在u s b 上的最大传输 速率而编写的固件程序；二是在p c 中的w i n d o w s2 0 0 0 工作环境下编写u s b 设 备驱动程序；三是充分了解d 1 2 的主要功能特点，并编写出供设备测试的应用程 序。软件的开发基于w i n d o w s2 0 0 0 操作系统，开发语言采用c 。在u s b c a n 的 通信中，使用现场总线c a n 网络技术，制定了用户层通信协议与u s b 协议的统 一对应关系；在通信中，提出了信息双向传输的具体解决方案，保证信息的完整 传输；实现了u s b 设备的w d m 驱动。由于本系统软件和硬件的通用性，可以推 广到其它总线的应用场合。 关键词：u s b ：c a n 总线：固件编程；适配器 a b s t r a c t t h ep a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h es o f t w a r e o fc e n t r a ls t a t i o no ft h eu s bi n t e r f a c eb a s e do n c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) t h em o d e lc a nb ec o n s i d e r e da sau s bd e v i c ew h i c hw a sc o n n e c t e d t op ca n da l s oc a nb ec o n s i d e r e da sac a nn o t ew h i c hh a sr i c hf u n c t i o n s b ys e e i n gf r o mt h ed i f f e r e n td i r e c t i o n t h eh a r d w a r ei sm a i n l ym a d eo f a t 8 9 s 5 2 ，d i u s b d l 2a n ds j a1 0 0 0 t h ea r t i c l es e t sf o r t ht h e s et a s k sa sf o l l o w s t h es i n g l e c h i pp r o g r a m s t h ef i r m w a r et op d i u s b d l 2w h i c hi sak i n do f u s bi n t e r f a c ec h i p s t h e e u m m u n i c a t i o na p p e a r sb e t w e e nd 1 2a n du p l o c a t i o nc o m p u t e ra n dm a n m a c h i n e m u t u a li n t e r f a c ec o m e si n t ob e i n g l o t so fd a t af r o mt h ei n d u s t r ys p o ti s p r i n t e d ，a n a l y z e d a n d d i s p o s e d o nt i m e o nt h eb a s eo fw o n d e r f u l u n d e r s t a n d i n gt ou s bp r o t o c o la n dd e v i c et r u s s 。if i n i s ht h eh a r d w a r ed e s i g n a n ds o f t w a r ep r o g r a m m eo ft h ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e ma n dd r a wt h ep r i n c i p l e c h a r ta n dm a k et h eh a r d w a r ee x p l o i t a t i o nb o a r d t h es o f t w a r ep r o g r a m m e m a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t s ，w h i c ha r et h ef i r e w a r ec o d ei nn e e do fd 1 2 s m a x i m u mt r a n s m i s s i o nr a t e ，u s bd e v i c ed r i v e ra n dc l i e n ta p p l i c a t i o nu n d e r t h ec i r c u s t a n c eo fw i n d o w s2 0 0 0o p e r a t i o ns y s t e mi nc o m p u t e r b a s e do nt h e p l a t f o r m o fw i n d o w s2 0 0 0 ，t h es o f t w a r ei s d e v e l o p e dw i t hc a st h e p r o g r a m m i n gl a n g u a g e t h es y s t e mu s e st h ef i e l d b u st e c h n o l o g ya n da p p l i e s t h ef u l ls o l u t i o no ft h ei n f o r m a t i o ni n t e r c o u r s ei nt h ec o m m u n i c a t i o no f t h ec a n u s bi n t e r f a c e i ti n s u r e si n f o r m a t i o n sr e g u l a r i t ya n dr e a l i z e s t h ew d mi n i t i a l i z a t i o no fu s bd e v i c e b e c a u s eo ft h ec u r r e n c yo ft h i s s o f t w a r ea n d h a r d w a r e ，i ti se x t e n d e dt ot h ea p p l i c a t i o n so ft h eo t h e r f i e d b u l l s k e ) rw o r d ：u s b ；c a nb u s ： f i r m w a r ep r o g r a m m i n g ； a d a p t e r i i 蟊瓣浚虢 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导 下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以 标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写的成果作品，也不包含为获得中南林学 院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人 承担。 1 卅 作者签名：删f ，f 弦譬年6 具1le l 专翱辩泼珏 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位 论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件或电子版，允许论文被查阅或借阅。本 人授权中南林学院可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于： 密保保不 、 1 2 丽珀 。2湘仍 千r 月 ，6 名年 签哆 者伽 作 硕士学位论文：基于u s b 技术的c a n 总线适配器的研究与开发 1 引言 1 1 选题背景及意义 随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统己成 为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大的进步。由于对系 统的可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：系统面向分散 化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。分散式工业控制系统就是为 适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微机为核心，将5c 技术一- c o m p u t e r ( 计算机技术) 、c o n t r o l ( 自动控制技术) 、c o m m u n i c a t i o n ( 通信技术) 、c r t ( 显示 技术) 和c h a n g e ( 转换技术) 紧密结合的产物“1 。它在适应范围、可扩展性，可维护 性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都 具有明显的优越性。 传统的d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 控制系统由调度管理站和各种过程测 控站组成，调度管理站完成系统的组态、监视操作和运行管理，而现场过程测控 站完成生产过程信息的采集和控制。d c s 的核心思想是分散控制、集中管理，但 是与工业过程打交道的过程测控站功能较强，一般是一个完整的测控系统，采用 的仍是集中控制的，现场信号的检测，传输和控制还是采用4 2 0 m a 的模拟信号， 信息量有限，难以实现设备与外界的信息交换，使自动控制系统成为一厂中的“信 息孤岛”，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现嘲。信息技术的飞速 发展，逐渐形成了自动化领域的开放系统互连通信网络，形成了全分布式网络集 成化自动控制技术，这就是现场总线技术。随着现场总线的国际标准的制定与完 善，采用现场总线将现场仪表与控制室内仪表连接起来，用数字信号取代模拟信 号，组成全数字化、双向、多站的通信网络。而现场总线网络的每一个节点都是 一台智能化仪表，包括变送器、检测仪表、执行器等现场仪表和控制室内仪表装 置，这些仪表都遵循统一的标准化和规范，按照系统化和开放型的要求，实现数 字化、智能化、标准化，并且增加远距离操作、故障自诊断。 现场总线8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自 动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网 络的基础，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联 硕士学位论文：基于u s b 技术的c a n 总线适配器的研究与开发 系。它不仅是一个网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统叫。这项以智 能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界 范围的关注，成为自动化技术的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变 革“1 。国际上有许多有实力、有影响的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设 备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点； 具有的一定时间确定性和较高的实时性要求“1 。 现场总线网络技术的实现需要与计算机相结合。以往c a n 总线网络与计算机 的连接采用r s 2 3 2 、i s a 或p c i 接口。但是随着计算机接口技术的发展，i s a 接口 已经逐渐被淘汰；r s 2 3 2 接口数据传输率太低；p c i 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。在工业控制领域经 常采集数据并将数据传输到计算机中进行处理。传统的i s a 总线，传输速率低， 而且不支持热插拔。它的数据宽度1 6 位，工作频率8 m h z ，数据传输率6 m b 5 ，处 理器的高速度和总线的低速度不同步，造成硬盘、图形卡和其他外设只能通过一 个慢速且狭窄的瓶颈发送和接收数据，使c p u 的高性能受到了严重的影响。尽管 i s a ：p c i 总线虽然传输速率很高，但是开发相对复杂，需要投入的人力物力较多， 开发周期长。相比之下，u s b 总线具有通用、高速传输、支持热插拔、即插即用、 开发成本低等优点，在各个领域得到广泛应用。同时，在工业控制领域，微控制 器的应用非常普遍。二者的结合，非常适合现场数据采集等方面的应用。随着 u s b i 1 、u s b 2 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。 u s b 的主要特点有：外设安装简单，可实现热插拔；通讯速率高，u s b i 1 全速传 送速率为1 2 m b p s ，与标准串行端口相比，大约快i 0 0 倍；支持多设备连接；提供 内置电源。u s b 是应用在p c 领域的新型接口技术。目前u s b 数据总线已经在各种 计算机中得到普及，并成为计算机的标准外设接口。 在目前p c 的i o 模式中，外围设备通常被映射成为c p u 的i o 地址，并且被 分配一个指定的i r q ( 中断请求) ，在某些情况下也可以是一个d m a 通道。这给编 程者带来了不便，同时消耗了p c 的许多资源，使许多系统资源不可使用，并且产 生了很多冲突，由此造成了很多问题。根据调查显示，7 0 的严重系统错误和系统 崩溃是由硬件冲突引起的。 在c a n 总线组成的测控网络中，网络适配器( 网卡) 的设计必不可少，它担 负着当地监控单元与下位机节点之间数据传输的重要任务。传统网卡的设计一般 都是基于i s a 、e i s a 总线，但是由于带宽的限制，它们已经不能满足如今高速数 硕士学位论文：基于u s b 技术的c a n 总线适配罂的研究与开发 据传输的需要，而被逐渐淘汰。现在市场上流行的基于p c i 总线的网卡，虽然传 输速度快，可是协议较复杂，且与传统的网卡一样，不支持热插拔，又考虑到工 控机扩展槽有限( 一般为5 _ 6 个) ，扩展不方便，这些都给产品的开发和用户的使 用带来了很大的不便，基于上述考虑，本论文提出了一种基于u s d 接口的网络适 配器的设计方案。本文给出一种在w i n d o w s 2 0 0 0 下使用u s b i 1 协议实现c a n 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u s b 接口连接现场c a n 总线网络的目的。 1 2 国内外研究的现状 近年来，国内外许多仪器仪表公司已经推出了多种协议型、总线型仪表，我 国目前在用的仪器仪表当中，除了有h a r t 协议、b r a i n 协议型仪表，还有p r o f i b u s 总线、f f 及c a n 总线型仪表。这些智能仪表在我国的稳定生产中发挥了积极的作 用，也带来了良好的效益。然而值得一提的是至今这些所谓的智能仪表基本是处 于孤立的运行状态，就是同一种协议或总线的仪表也没有连成一有机的网络，从 而使得它们的功能大打折扣。为此我们想通过对其中c a n 总线进行研究。同时利 用目前p c 流行及方便使用和扩展的u s b 接口进行通信予以分析和实现，提出“基 于u s b 接口技术的c a n 总线适配器的研究与开发”这一课题，希望通过对课题 的研究能为解决生产中的这些实际问题提供帮助。 c a n 总线是德国b o s c h 公司在2 0 世纪8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控 制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线，是一种多主总线 系统，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，其通信速率可达i m b p s 。 在c a n 总线通信控制器中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可 完成对通信数据的成帧处理，包括零位的插入删除、数据块编码、循环冗余检验、 优先级判别等项工作吲。c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码， 而代之以对数据块进行编码”1 。采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理 论上不受限制，数据块的标识码可由1 1 位( 按c a n 技术规范2 o a ) 或2 9 位( 按c a n 技术规范2 o b ) 二进制数组成，因此可以定义2 1 1 或2 2 9 个不同的数据块。这种按数 据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控 制系统中非常有用。数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工业领域中控制命 令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总线时间过长、从 而保证了通信的实时性嘲。c a n 协议采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能， 硕士学位论文：基于u s b 技术的c a n 总线适配器的研究与开发 保证了数据通信的可靠性。c a n 通信网络是一种全分散、全数字化的智能双向、 多变量、多点、多站的分布式通信体系，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力 强、通信速度快、成本低等诸多优点。现在c a n 2 0 不但是公认的汽车全数字式现 场总线的控制仪表和设备的互联规范，而且已经成为现代工业总线技术的研究开 发热点，在海运自动化、医疗器械设备系统、地下通道系统、机床控制、火车自 动化系统和建筑自动化系统方面都得到了应用。3 。 c a n 的这些卓越特性以及极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监 控设备的互联，因此，越来越受到工业界重视，并已被公认为最有前途的现场总 线之一“。可以预料，控制器局部网在我国迅速发展和普及是指日可待的“。 最初u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 是由c o m p a q 、d i g i t a le q u i p 溉n t 、i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 以及n o r t h e r nt e l e c o m 七家公司共同开 发的一种新的外设连接技术。它不是一种新的总线标准，而是应用在p c 领域的新 型接口技术“。这一技术将最终解决对串行设备和并行设备如何与计算机相连的 争论，大大简化计算机与外设的连接过程。1 9 9 5 年，通用串行总线，由通用串行 总线应用论坛( u s b i f ) 进行了标准化。目前已经有许多串行端口和串行总线技术 应用于主机和外设之间的通信，但它们都有其特定的目的和缺点。而该组织的目 标就是发展一种兼容低速和高速的技术，从而可以为广大用户提供一种可共享的、 可扩充的、使用方便的串行总线，将串行通信技术推向2 l 世纪。该总线应独立于 主计算机系统，并在整个计算机系统结构中保持一致“。为了实现上述的目标， u s b i f 发布了一种称为通用串行总线的串行技术规范( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) ， 简称为u s b 。 早在1 9 9 4 年1 1 月时，i n t e l 公司率先提出这种u s b 构想后，获得了n e c 、 i b m 、m i c r o s o f t 、c o m p a g 、n o r t h e r n 、t e l c o m 等各大厂商的支持。但最重要的组 织却是于1 9 9 5 年7 月所成立的“u s bi m p l e m e t e r sf o r u m ( u s b i f ) ”至今还主导 各种u s b 外围设备的开发“。u s b 技术的设计目的是向广大计算机用户提供纯粹的 数字视频和音频信号，以实现通信服务。所以u s b 的总线速度要足够用来支持这 些类型的设备m ，。 由于其具有使用方便及成本低廉等优点，迅速得到了业界的强力支持，目前 己经成为主流的总线标准，2 0 0 1 年u s b 设备出货量己超过3 亿台。u s b 广泛应 用于传统p c 外设，如鼠标、键盘、显示器等，移动存储设备如移动硬盘、闪存盘 等，以及新兴的消费类电子，如m p 3 播放器、数码相机、移动电话等。同时其应 用范围也在不断扩大，工业自动化仪器仪表正在成为u s b 应用的热点之一。u s b 最 4 硕士学位论文：基于u s b 技术的n 总线适配器的研究与开发 初推出的是i x 版本，其总线传输速度较低，为1 2 m b p s ，1 9 9 8 年推出了u s b 2 0 ， 将数据传输速度提高到了4 8 0 m b p s ，在保持了u s b l 1 的优点的前提下，保证了向 下兼容性，可以完全支持各种u s b i x 的产品。u s b 2 0 满足了高端应用对总线带 宽的需求，从2 0 0 2 年下半年起，采用u s b i 1 的设备开始大规模出现，预计2 0 0 4 年u s b 2 0 整体出货量将超过3 亿台，超过u s b i i 的出货量。 u s b 作为一种新型的计算机接口技术，具有传输速度高、实时性强、易于扩 展、使用灵活、能够进行错误侦测等特点，可以在很大范围内取代r s 一2 3 2 、并行 端口，进行短距离高速数据传输，因而应用普遍“。随着u s b 设备的迅速增加， 设各与设备之间的直接数据传输变得越来越迫切，u s bo t g ( o nt h eg o ) 技术应 运而生了。它于2 0 0 1 年1 2 月底制定，赋予了设备双重身份，即既可以作为主机， 又可以作为设备，其实质是在设备中增加一个嵌入式计算机来执行主机任务。这 一技术使u s b 设备摆脱了对p c 的依赖，大大扩展了u s b 的应用范围，并结合u s b 2 0 高速传输技术，严重威胁到i e e e l 3 9 4 的传统市场。 通常一种新技术的应用，会很快的应用到相关的各行各业，u s b 也不另外， 它在各种记录仪、数据采集器、虚拟仪表上有广阔的应用前景。 i ) u s b 在无纸记录仪中的应用 记录仪是工业生产自动化系统中十分常见的二次仪表，传统型模拟记录仪由 于结构简单、功能单一、存在着卡纸、卡笔、断线等易发故障和换笔、换纸、添 墨等大量日常维护工作。此类记录仪由于结构和功能方面的局限性，无法满足综 合生产管理、生产过程智能化、数据传输网络化和在线数据分析的需要。进入九 十年代以来，随着微电子技术、计算机技术、网络通讯技术和软件技术的高度发 展，以及它们与各种测量技术在仪器仪表上的应用，各种多功能智能型记录仪表 呈迅猛发展之势，无纸记录仪这种具有嵌入式设计、良好的数据在线处理能力和 实时数据通讯能力以及友好的人机交互平台渐渐取代了传统型模拟仪表。并逐渐 在工业应用领域得到了广泛的应用。 存储介质是无纸记录仪的重要组成部件之一，用于存储记录数据。无纸记录 仪的存储介质分为内部存储器和外部存储器，内部存储器主要以s r a m 和f l a s h 存 储器为主，外部存储器主要以3 5 英寸软盘为主。但无论是s r a m 还是f l a s h 存 储器以及3 5 英寸软盘，它们的存储容量都比较小，贮存的数据有限，目前市面 上的无纸记录仪的f l a s h 存储器的容量一般为2 m ，最高也一般到1 6 m ，3 5 英寸 软盘的容量更不用说。而且f l a s h 存储器的价格比较贵，4 m 容量的f l a s h 存储 器大约为2 0 0 元人民币。存储器的容量小必然使得记录数据的保存时间不会很长， 硕士学位论文：基于u s b 技术的c a n 总线适配器的研究与开发 要想追忆所有的记录数据和曲线就很困难。由于3 5 英寸软盘的容量太小，每次 转存的数据很有限，加之软盘驱动器是易耗件，且工作的工业现场环境恶劣，使 得软盘驱动器极易损坏。当前的无纸记录仪接口繁多，既有r s 一4 8 5 ，又有r s 一 2 3 2 ，还有打印机并行口，增加了生产成本，而且这些串行接口数据传输率低， 通用性差、不支持即插即用、热插拔、接口处容易产生串扰等。这在很大程度上 限制了无纸记录仪的性能。 如果无纸记录仪接口统一采用u s b ，存储介质采用类似优盘这种方便、稳定 性高、即插即用、易于数据转存的媒介，则不但统一了接口标准，减少因接口众 多而带来的安装、调试和相互干扰以及随之而来的开发费用，减少无纸记录仪的 能耗，提高无纸记录仪的使用寿命，而且还能进一步增加无纸记录仪的智能化私 模块化，必将使无纸记录仪发展到一个新的阶段。 2 ) u s b 在数据采集器中的应用 在工业生产和科学研究的各行业中，常常利用p c 机或工控机对数据进行采 集。这其中有很多地方对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、频率等。现 在常用的采集方式是用数据采集板卡，常用的有a d 卡以及4 2 2 ，4 8 5 等总线板 卡。采用板卡不仅安装麻烦、易受机箱内环境的干扰，而且受计算机插槽数量和 地址、中断资源的限制，不可能挂接很多的设备。在一些电磁干扰较强的工业现 场，无法专门对其进行电磁屏蔽，导致采集的数据失真。而u s b 的出现，很好的 解决了以上的冲突，很容易就能实现低成本、高可靠性、多点的数据采集n ”。 3 ) u s b 在虚拟仪器上的应用 虚拟仪器是目前国内外测试技术和仪表制造业十分关注的热点话题，其技术发 展非常迅速，是指一种具有某种测量仪器功能的设备“，但其完整的仪器功能的实 现必须与计算机软硬件紧密结合才能完成。通过对传统仪表的部分功能甚至全部功 能的软件化，在通用的计算机平台上，灵活的实现了传统的测量和控制功能。u s b 连接方式简单，是一种成本较低的解决方案，而u s b 接口的仪器单元不仅可内置 于计算机机箱内使用，也可单独构成仪表，置于计算机外工作。通过u s b 电缆传 送信号至主机口特别是u s b 支持即插即用，系统能够自动地对设备进行配置。 现场总线的多样化，一方面促进了控制技术以及通信技术的发展，另一方面， 使得用户在设计方案时有多种选择。但是，由于缺乏统一的现场总线标准，在一 套系统中，必须选用遵循同一协议的仪表以及传感器。这样，影响了现场总线控 制系统的开放性。因此，发展共同遵从的、统一的现场总线标准规范，真正形成 硕士学位论文：基于u s b 技术的c a n 总线适配器的研究与开发 开放互连系统，将是大势所趋。在对各种现场总线技术进行对比后，选择c a n 现 场总线进行研究，并且将其应用到本文所论述的u s b - c a n 接口系统中。 1 3 论文的主要工作 本课题的主要研究任务是在w i n d o w s 2 0 0 0 下使用u s b i 1 协议实现c a n 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u s b 接口连接现场c a n 总线网络的目的，以便以后进一步研究和开 发c a n 总线网络，推广和扩大c a n 总线的应用范围“”。本课题是基于应用型的研 究工作，设计了硬件模型并绘制了p c b 图( 见附录b ) 。硬件电路图的分析和研究 是非常重要的，对课题的最终实现意义重大，核心内容是u s b 和c a n 总线的协议 和规范。由于c a n 总线组成的测控网络担负着数据传输的重要任务，因此，设计 与c a n 总线通信接口，保证c a n 总线正常工作，成为本系统的一大任务。本课题 的主要工作有： 1 ) 系统地学习和分析u s b 和c a n 协议及技术规范。 2 ) 分析并绘制u s b c a n 适配器的硬件电路图，结合u s b 和c a n 的技术规范， 编写u s b 和c a n 的圃件。其中将u s b 协议转化为单片机的c 语言编程是一项具有 一定难度的工作，花费时间和精力较多。 3 ) u s b 系统的硬件电路的设计和调试。 4 ) 应用程序以及驱动程序的设计与开发。 1 3 1 数据传输方案的选择 c a n 总线是一种串行数据通信协议，c a n 结构遵从o s i 模型：数据链路层和 物理层，这对从协议体系来理解c a n 结构是较为方便的；另外与c a n 协议相关的 内容大多处于信息开放状态，帧结构、帧编码、错误检测以及同步等信息都能从 相关资料上获得，而u s b 器件在w i n d o w s 出现之后己经得到广泛的应用，其难点 是如何去充分认识和理解两个协议及两者间数据传送的关系，找到可靠信息数据 传输方案来。由于本课题针对的是一个实验系统，没有按照更高的要求进行研究， 通过对协议和所选择电子器件性能的综合分析，拟采用以下的通信协议和信息传 输方案： ( 1 ) u s b 控制器拟采用遵循u s b i 1 协议规范的低速或全速设备，其传输速 度在卜1 2m b s 。 7 硕士学位论文：基于u s b 技术的c a n 总线适配器的研究与开发 ( 2 ) c a n 总线拟采用1 0 协议，总线传输速度为：1m b s 。 ( 3 ) u s b c p u 问采用控制传输、中断传输，在片控制器内部的c a n 控制器 与主r a m 间的数据传输用d m a 方式进行传输。 ( 4 ) c a n 控制器与总线上其它节点的信息传输采用控制传输、中断传输。 1 3 2 本课题要解决的问题及方案论证 4 3 2 1 本课题要解决的问题 由于时间和开发资源的限制，本课题在对u s b 设备开发提出了整套方案包括 硬件、固件和驱动程序基础上，在理解和掌握了u s b i 1 协议后，设计和开发了在 时间上要求比较短和在开发资源上要求比较简单的u s b c a n 适配器。其中要解决 的主要任务是： 构建一个智能化的u s b 设备，使之可以完成与主机之间的u s b 通讯。 编写u s b 设备固件，使之能完成u s b 的枚举、配置和通讯功能，并能有效 的和其它硬件交换数据。 编写u s b 驱动程序，以使主机可以和设备通讯并控制设备硬件。 编写用户层窗体程序，提供友好的用户界面。 实现u s b c a n 的转换。 1 3 2 2 方案论证 本课题所设计的u s b c a n 通信模块为计算机与c a n 之间直接通信提供了一种 有效的方法。我们设计的思路是：从计算机的用户角度来看，该模块是一个具有 c a n 接口的u s b 外围设备，而从c a n 的角度来看，该模块和与它相连的计算机构 成了一个软硬件极其丰富的智能节点，充分发挥计算机和c a n 的优势。我们知道 每个u s b 设备都必须连接到一个h u b 上，由于我们利用了p c 的根集线器，所以 u s b c a n 通信模块在研制完毕后直接插入p c 的u s b 接口上即可。基于以上对 u s b c a n 模块功能的描述，我们就可以知道，通信模块的结构至少是具有以下特征： 具有与p c 根集线器相连接的u s b 硬件电路( u s b 接口电路) ； 具有与c a n 总线连接的c a n 接口电路； 通信模块中具有能处理u s b 到c a n 数据传送的微处理器； 同时还应该有用以存储固件的e 2 p r o m 和数据存放的r a m 。 硕士学位论文：基于u s b 技术的c a n 总线适配器的研究与开发 除此以外，考虑到产品最终是要用到工业生产中，为了避免实际生产中各种 不利干扰信号可能对模块的影响，在c a n 接口电路前加了光电隔离器件以及为了 便于c p u 对各集成电路单元的控制添加的可编程逻辑控制电路等。 基于以上的思路，得出u s b c a n 通信模块的结构图，如图1 1 所示。 图1 1u s b c a n 通信模块的结构图 由于u s b 设备被设计成可以用简单有效的方法与各种外设进行通讯。没有现 有接口的局限性和缺点，这就导致了对u s b 接口的设计和编程更加复杂。u s b 协 议的复杂性意味着u s b 外设必须具备智能，必须知道如何检测并对u s b 端口的事 件做出响应。通常的解决方法一般有以下几种： 采用a s i c 或是f p g a 器件 利用v h d l 或是其他集成电路设计方法，实现在一个芯片内完成u s b 接口的所 有功能。这种方案具有较大的灵活性，既可以最大限度的发挥u s b 总线的性能， 又可以随意的对其功能进行裁减，达到器件的最高使用效率。如果批量较大，使 用a s i c 可以使成本降到最低；而使用f p g a 则可以使产品具有最大的灵活性。 但这个方案的缺点也是很明显的，开发周期长，开发费用高，开发难度大， 需要开发人员对集成电路设计与u s b 通讯具有真正深入的掌握。 使用专用u s b 接口芯片 u s b 接口控制器只处理l s b 通信，由一个外部的微控器来管理u s b 控制器的寄 存器、设备描述符的获取和数据包的交换等。能实现这种功能的u s b 控制器现在己经 比较多，像p h i l i p s 的p d i u s b d i l 、p d i u s b d l 2 等，还有像l u c e n t 也出了两款器件， u s s 一8 2 0 ，u s s - 6 2 0 ，8 2 0 是普通的高速设备，具有8 个双向的e n d p - o i n t s ，而6 2 0 是具有d m a 功能，使用起来比8 2 0 占用系统资源要少得多。不过总的来说，在这个 方面p h i l i p s 和n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r s 的要大众一些，资料相对也多一些。 使用这种方案一般比较灵活，成本也比较低，只是编程难度相对比较大一些， 且目前多数u s b 控制器只支持u s b i 1 协议。 硕士学位论文：基于u s b 技术的c a n 总线适配器的研究与开发 使用嵌入m c u 的u s b 控制器 使用这种方案，c p u 只需要访问一系列的寄存器和存储器，便可以实现u s b 口 的数据传输，从而简化了程序的设计，并且许多供应商还提供了许多范例电路和 测试代码，使设计者从复杂的协议中简化出来。 目前采用这种结构的u s b 控制器也比较多，如基于8 0 5 1 内核的：i n t e l 公 司的8 x 9 3 0 a 、8 x 9 3 1 a ；c y p r e s s 公司的e z u s b 、e z - u s b 2 系列等。其中e z u s b 2 系列对u s b 2 0 协议有较好的支持。 这个方案可以大大降低设计难度，提高设计效率，但本方案需要相应的开发 器的支持，器件不易获得且价钱较高。 系统设计选择第二种方案。u s b 控制器采用p h i l i p s 的p d i u s b d l 2 ，m c u 采 用a t 8 9 s 5 2 。采用这个方案的原因是：这两种器件技术比较成熟，相应的资料比 较容易获得，开发难度适中，设计比较灵活且成本较低。 1 3 3 系统的硬件设计 在c a n 总线组成的测控网络中，网络适配器是上位机与c a n 总线的通信接口， 要实现对下位机各节点的监控，它担负着数据传输的重要任务。网络适配器的主 要功能：它支持热插拔、易扩展、速度快，且在w i n 9 8 或以上的操作系统中都支 持u s b 接口，设计和实现相对较为容易。”，同样的，u s b 总线控制器主要完成组帧、 解帧、帧校验等任务，并在其中集成了收发器的功能，且易于微处理器相连，因 此可用一片c p u 完成c a n 总线和u s b 总线之间的数据传输与处理的工作。 c a n 总线接口使用p h i l i p s 公司的独立c a n 总线控制器s j a l 0 0 0 ，并由光耦 6 n 1 3 6 进行总线隔离。s j a l 0 0 0 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c a n2 0 a 和2 o b 规范，最高速率可达i m b p s 。c a n 总线 收发器采用p c a 8 2 c 2 5 0 。a t 8 9 s 5 2 是一个低功耗，高性能c m o s8 位单片机，片内 含8 kb y t e si s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m a b l e ) 的可反复擦写i 0 0 0 次的f l a s h 只读程 序存储器，一款非常理想的单片机型。p d i u s b d l 2 是p h i l i p s 公司推出的全速u s b 接口器件，完全兼容u s b l 1 规范。p d i u s b d l 2 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。 传感器单元主要负责采集工业现场的数据，并通过c a n 总线把数据发送给需 要数据的其它现场设备或工控主机。执行机构单元主要负责接收工控主机和其它 现场设备发送来的执行命令，完成相应的任务。 1 0 硕士学位论文：基于u s b 技术的c a n 总线适配器的研究与开发 1 3 4 系统的软件设计 软件编程采用的是c 语言。因为汇编语言和具体的微处理器的硬件结构有密 切关系，移植性较差，既不宣在复杂系统中使用，又不便于实现软件重用；而高 级语言具有良好的通用性和丰富的软件支持，容易编程，可移植性好，能够加快 系统的开发进程。c 语言既具有汇编语言的效率，又具有高级语言的易编程性。c 代码经常可以用在不同的处理器上。使用c 语言开发协议处理程序，利用模块化 的编程思想，分层实现各个协议，提高程序的移植性和可读性1 。单片机软件使 用伟福提供的w a 、r e 仿真软件开发，并通过仿真器进行在线调试。开发过程中还用 到u s b 数据通讯查看工具如u s b v i e w 、s n i f f u s b 以及驱动程序调试工具s o f t i c e 等。 下位机程序主要的工作是初始化d 1 2 和c a n 控制器( 在8 9 s 5 2 内) ，通过d 1 2 进行数据传输以及按协议对数据进行格式转换。u s b 单片机控制程序通常由三部分 组成：第一，初始化部分，完成单片机和所有的外围电路( 包括d 1 2 ) 初始化；第 二，主循环部分，等待来自上位机的数据并启动数据格式转换程序进行数据通信， 是固件的主体部分；第三，中断服务程序，由上位机触发，进行一些低工作量的实 时处理( 如置相应标志位) ，然后在主循环部分对数据做进一步的处理。成功初始化 是使用d 1 2 的关键，需要理解d 1 2 的工作方式和u s b 协议。 本文给出一种在w i n d o w s 2 0 0 0 下使用u s b l 1 协议实现c a n 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u s b 接口连接现场c a n 总线网络的目的。 1 3 5 论文中的创新点 本课题是把u s b 技术应用到总线适配器中的一种尝试。u s b 技术比较新、发展 又很快，而在总线适配器中的应用相对较少。本文旨在探讨总线适配器中应用u s b 技术的一种方法和实现途径，并对于应用中存在的问题进行了研究分析。 1 ) 本课题的设计中采用了新的w d m 驱动模型设计了总线适配器的驱动程序。 采用u s b 接口和w i ) m 驱动模型设计以使主机可以和设备通讯并控制设备硬件是本 课题引入的新技术，也是研究通用串行总线的新尝试。 2 ) 该系统用u s b 节点连接到计算机的接口，具有快速、即插即用、支持热插 拔的特点，使连接更加高效、便利。c a n 总线结构是一种有效支持分布式控制或实 时控制的串行通讯网络。节点之间通过c a n 进行数据通讯和命令传输。每个节点 硕士学位论文：基于u s b 技术的c a n 总线适配器的研究与开发 设备都能够在脱离c a n 总线的情况下独立完成自身系统的运行。同时，c h n 总线也 不会因为某个节点设备的脱离而出现系统结构崩溃的现象。 3 ) u s b 的高速率、易扩展、热插拔等特性为p c 外设的扩展和性能的提高提 供了一个有效的途径。适配器结合了c h n 总线的优势，通过u s b 实现了数据的高 速传输。借助了u s b 管道和g o o d li n k 技术，使得p c 机能够控制用户板上的l e d 的状态，实现u s b 和c n 之间的通信，从而实现双向的数据传输。 4 ) 适配器克服了以往基于i s a 总线的传输速率低、安装麻烦、不支持热插 拔、不能即插即用等缺点，提高了传输速度，安装方便，使用简单。 硕士学位论文：基于u s b 技术的c a n 总线适配器的研究与开发 2u s b 接口设计 2 1u s b 系统概述 u s b 设备具有较高的数据传输率，使用灵活，易扩展等优点啪1 。u s b 同时又是 一种通信协议，支持主机和u s b 的外围设备之间的数据传输口3 1 。u s b 总线接口处理 电器层与协议层的互连。“。 u s b 是一种轮询总线，主控制器负责初始化u s b 系统。“。总线事件包括三个数 据包。首先，主控制器发送“令i 藩咆”，“令牌包”描述了当前事件的类型和数据 传输的方向，u s b 外设的地址，端点号等信息。然后，被寻址的u s b 外设通过译码 令牌包的地址域选中自己啪1 。在一个给定的事件中，数据传输方向是由令牌包确 定的，可以从主控制器到外设，或者从外设到主控制器。数据发送端发送数据包， 或发送表示暂时没有要发送的信息。最后，数据接收端反馈一个握手信号，表示 本次传输是否成功。 u s b 数据传输模型用到一个叫做“管道”的概念。管道指在主机与设备之间建 立起来的数据收发的联接。在u s b 系统中有两种类型