USB_CAN通信转换器设计方案.docx

USB/CAN通信转换器设计方案本文阐述了一种USBCAN总线转换装置，方便CAN总线与计算机进行链接。本设计方案主要包括：任务说明、总线简介、硬件设计、软件设计、总结等部分。 一、任务说明设计一种USB-CAN总线转换器。完成从一台计算机的USB把1个数据帧（自己定义）通过USB/CAN转换器将数据发到CAN总线上；另一台计算机CAN/USB转换接受数据。二、总线介绍CAN总线是一种流行的现场总线，其协议分为物理层和数据链路层。物理层定义信号如何发送，涉及位编码，位定时和同步，没有定义驱动器和接收器的特性，以便根据具体情况灵活应用。数据链路层又包括媒体访问子层MAC层和逻辑链路子层LLC层。MAC子层是CAN协议的核心，它可响应报文帧，仲裁，应答，错误检测和标定。LLC子层主要功能是报文滤波，超载通知和恢复管理。CAN总线主要有以下特点：1. 以多主方式工作，没有主节点和从节点之分；2. 节点信息分为不同优先级，可满足不同实时要求；3. 采用非破坏性总线仲裁技术，不同于以太网的碰撞检测技术，而是按位对标识符进行仲裁，优先级最高的节点获得总线的使用权；4. 采用报文滤波实现多种通信方式，无需专门调度。在验收滤波器的帮助下，CAN节点只接收识别码与验收滤波器中预设值一致的信息；5. 直接通信距离最远达到10km（5kbps以下），通信速率最高可达1Mbps（通信距离最长为40m）；6. CAN报文数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始，仲裁场，控制场，数据场，CRC校验场，ACK应答场和帧结束。仲裁场包括标识符（11位或29位），控制场包括数据场的字节数目，数据场可包括08个字节；7. CAN总线协议固化在相关芯片中，主要有总线控制器和总线收发器。前者完成CAN总线协议中物理层和数据链路层中所有功能，后者提供总线驱动能力。USB即通用串行总线是一种应用在PC中的表型总线，由Intel、Microsoft、NEC等公司共同提出，他是一种新型的外接串联口，提出该规格的厂商希望用USB取代现有的外接设备接口，它还具备连接单一化、软件自动侦测以及热插拔（即插即用）的功能，USB具有以下特点： 1）数据传输速率高。USB高速：480Mb/s；USB全速：12Mb/s；USB低速：1.5Mb/s。 2）数据传输可靠。USB事务处理包括错误检测机制，可以确保数据无错误发送，在发生错误时，事务处理可以重新进行。 3）同时挂接多个USB设备，每个USB总线支持127个设备的连接。 4）USB接口能为设备供电。当外界电源要求电压为5V且电流小于500mA时，可以直接从USB总线获取电源，这样，USB设备无需专用电源线，从而降低了设备成本。 5）支持热拔。USB实现了真正的即插即用功能，设备连接后由USB自检测，并且由软件自动配置，完成后立刻就能使用，不需要用户进行干涉。三、系统硬件设计系统硬件结构主要包括主控制芯片，USB通信部分以及CAN通信部分。总体结构如下图所示：主控制芯片选用Atmel公司的AT89C52。USB通信采用USB控制器PDIUSBD12及USB接口。CAN通信采用CAN总线控制器SJA1000和CAN总线收发器82C250，在SJA1000和CAN总线收发器82C250之间使用了2个高速光电隔离器件6N137实现了总线与控制器的隔离，以避免干扰提高工作可靠性。（1）USB总线接口的设计 在微控制器和USB接口的选择上有2种方式，一种是采用具备USB通信功能的微处理器。随着USB应用的日益广泛，Intel，Cypress，Cypress，Philips等芯片厂商都推出了具备USB通信接口的微处理器。其中有8x930A，8x931A，EZUSB等。由于这些单片机具有USB接口，这些芯片与过去的开发系统是不兼容的，需要购买新的开发系统，投资较高。另一种是采用普通微处理器加上专用的USB通信芯片。现在的专用芯片中较流行的有NationalSemiconductor公司的USBN9602，ScanLogic公司的SL11，Philips的PDIUSBD12等。其中PDIUSBD12是一款性价比很高的USB接口器件，他通过并行接口与微处理器进行通信，这种接口方式使得设计者可以选择自己熟悉的控制器进行开发，简化了开发难度，加快了系统的设计。所以本系统采用PDIUSBD12与Atmel的AT89C52连接的方式进行开发。原理图如图1所示。图1：USB总线接口设计（2）CAN总线接口的设计 这部分由微处理器、CAN控制器和CAN收发器组成，微处理器负责将数据发送给CAN控制器，并经由CAN控制器、光耦以及CAN收发器将数据发往CAN总线，原理图如图2所示。CAN总线控制器采用Philips公司的SJA1000，并辅以该公司的PCA82C250接口驱动器。为了增加系统抗干扰能力，在SJA1000和CAN总线收发器82C250之间使用了2个高速光电隔离器件6N137实现了总线与控制器的隔离，以避免干扰提高工作可靠性。CAN控制器可以选择从RX0，TX0或RX1，TX1接受发送数据，当使用RX0，TX0工作时，需要将RX1接到一个稳定的电平上。图2：CAN总线接口设计四、系统软件设计设备程序主要包括：初始化程序，前台主程序循环，相关通信子程序，后台中断服务程序等组成。系统上电后首先对相关设备及存储器进行初始化操作，然后进入主程序循环，在主程序里通过查询状态位执行相关通信程序，包括向USB发送数据子程序及向CAN总线发送数据子程序。后台中断服务程序与前台主程序之间的数据交换通过事件标志和数据缓冲区来实现。当PDISUBD12从USB收到一个数据包，或者CAJ1000从总线上收到数据包时，对微处理器产生一个中断请求，微处理器立即响应中断。后台中断服务程序流程如图所示。总体软件流程如图 所示。图：后台中断服务程序流程. 图：程序流程框图具体程序略。五、总结随着电子设备的大量出现及针对各种控制系统的实际需求，各种通信网络相继产生