CP2102與C8051F040的USB-CAN轉換器設計
CAN(Controller Area Network,控制器局域網(wǎng))總線是德國Bosch公司在20世紀80年代初為解決汽車中眾多控制與測試儀器間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議,主要用于各種設備檢測及控制。CAN總線是一種多主機控制局域網(wǎng)標準,具有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡協(xié)議、多主節(jié)點、無損仲裁、高可靠性及擴充性能好等特點,能有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡。一方面,其通信方式靈活,可實現(xiàn)多主方式工作,還可實現(xiàn)點對點、點對多點等多種數(shù)據(jù)收發(fā)方式;另一方面,它能在相對較大的距離間進行較高位速率的數(shù)據(jù)通信。因此無論是在高速網(wǎng)絡還是在低成本的節(jié)點系統(tǒng),CAN總線都得到了廣泛的應用。USB(Universal Serial Bus,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,具有即插即用、軟硬件支持廣泛、功耗低、價格低、數(shù)據(jù)傳輸率高、硬件結構標準化和總線拓撲結構完備等特點,因此USB自1995年問世以來,顯示出了強大的生命力。在以計算機為上位機的控制系統(tǒng)中,USB口比較適合作為計算機與測控網(wǎng)絡的接口。
隨著計算機技術的飛速發(fā)展,PC這個已經(jīng)把USB采納為通用總線和通用接口標準的控制器幾乎已經(jīng)成為各個領域操控終端的不二之選。只要接口標準統(tǒng)一,并安裝必要的應用軟件和驅動程序,PC就能接入到各個控制系統(tǒng)中去。因此,為了應用的高效率和操控的便利性,完全有必要采用技術手段實現(xiàn)通過PC的USB接口接入CAN專業(yè)網(wǎng)絡,把USB的通用性和CAN的專業(yè)性結合起來,把它們的優(yōu)勢融合。
1 芯片的選擇
1.1 CP2102芯片介紹
CP2102是Silicon Labs公司研發(fā)的一種高度集成的USB轉UART橋接芯片,具有價格低、開發(fā)簡單等特點,能夠用最簡單的外部電路和最少的外部器件簡便地實現(xiàn)USB到UART的轉換。CP2102包含USB2.O全速功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調制解調器控制信號的異步串行數(shù)據(jù)總線(UART)。該芯片的全部功能集成在一個5mm×5 mm的QFN28封裝的IC中。CP2102內置與計算機通信的協(xié)議,工作時,所提供的免費的實用COM口器件驅動器允許基于CP2102的產品將其作為1個口使用,也就是通常所說的產生1個虛擬的口,而電路無需任何外部的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。
1.2 C8051F040芯片介紹
C8051F系列單片機是Silicon Labs公司推出的混合信號系統(tǒng)級芯片,具有與80C51兼容的CIP一51內核,指令集與MCS一51完全兼容。C8051F040內部集成的CAN控制器包括一個CAN內核、消息RAM(獨立于CIP一51內核)、消息處理單元、控制寄存器等。C8051F040內部的CAN控制器是一個協(xié)議控制器,它并沒有提供物理層的驅動器,實現(xiàn)與CAN總線的接口,例如82C250、TJAl050等。數(shù)據(jù)接收和濾波都由CAN控制器完成,不需要CIP一51內核的參與。通過這種方式使CAN通信時占用的系統(tǒng)資源最小。CIP一51內核通過其內部的特殊功能寄存器來配置CAN控制器以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。C8051F040內部的CAN結構框圖如圖1所示。
CAN的控制協(xié)議寄存器包括控制寄存器CANOCN、狀態(tài)寄存器CANOSTA、測試寄存器CANOTST、錯誤計數(shù)寄存器、位定時寄存器、波特CAN控制器、處理中斷、監(jiān)視總線狀態(tài)、設定控制器的測試模式等。CAN控制器收發(fā)的數(shù)據(jù)存放在消息RAM中,CAN處理器有32個消息目標,可以通過配置用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。這些消息RAM的數(shù)據(jù)不能被直接訪問,而必須通過接口寄存器IFl或IF2來訪問。除此之外,可以被直接訪問的寄存器是CANOCN、CANOSTA、CANOTST。CAN內部其他不能被直接訪問的寄存器通過CANOADR、CANODATH、CANODATL這三個寄存器來訪問,這三個寄存器分別表示要訪問的寄存器的地址和數(shù)據(jù),向CANOADR中寫入要訪問的寄存器地址后,對CANODAT的讀/寫就相當于讀/寫相應的寄存器。由于C8051F040內部集成了CAN總線控制器,所以只需外加總線驅動器并加上適當?shù)母綦x就可以了,電路顯得非常簡潔。
2 硬件實現(xiàn)
系統(tǒng)電路如圖2所示,由CP2102、C8051F040、CAN驅動芯片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及輸出端,與單片機的對應引腳相連。USB的終止和恢復信號支持功能便于CP2102器件以及外部電路的電源管理。當在總線上檢測到終止信號時,CP2102將進入終止模式。在進入終止模式時,CP2102會發(fā)SUSPEND和SUSPEND信號。但是,SUSPEND和SUSPEND在CP2102復位期間會暫時處于高電平。為避免這種情況出現(xiàn),需要用1個10kΩ的電阻來確保SUSPEND在復位期間保持在低電平。PCA82C250是CAN收發(fā)器,可增加總線驅動能力,RS端接地,系統(tǒng)處于高速工作方式。6N137是光電隔離芯片,CAN總線信號CANTX和CANRX從C8051F040出來后先分別經(jīng)過高速光耦6N137進行電氣隔離,再經(jīng)過CAN總線控制器接口芯片82C250驅動,然后接到CAN數(shù)據(jù)線上。6N137實現(xiàn)智能節(jié)點與CAN總線之間的電氣隔離,不但提高了節(jié)點的可靠性和系統(tǒng)的抗干擾能力,而且也保護了總線及總線上的其他節(jié)點??偩€兩端124Ω的電阻對,防止通信信號傳輸?shù)綄Ь€端點時發(fā)生反射。
3 USB與CAN之間協(xié)議轉換的實現(xiàn)
設計在充分遵守USB和CAN協(xié)議的基礎上,實現(xiàn)了USB數(shù)據(jù)與CAN數(shù)據(jù)之間的協(xié)議轉換和轉發(fā)。在設計過程中,USB的高速率和CAN的低速率,以及USB的大數(shù)據(jù)包和CAN的小數(shù)據(jù)包之間存在著矛盾,必須認真解決,否則可能造成數(shù)據(jù)丟失、協(xié)議轉換不可靠、設備工作不穩(wěn)定。本設計中USB和CAN都采用了接收中斷方式,將USB和CAN的數(shù)據(jù)包先存儲下來,作為緩沖進一步處理。在接收中斷服務程序的數(shù)據(jù)時,只有將數(shù)據(jù)準確地收取下來,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,先確認發(fā)送緩沖區(qū)可用才寫入數(shù)據(jù)。由于兩端接口芯片都有內部的發(fā)送和接收緩沖區(qū),主程序的主要任務就是完成數(shù)據(jù)的轉發(fā),以及提供通信同步的握手協(xié)議,防止數(shù)據(jù)丟失和順序錯誤。
相對于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,屬較慢的操作,采用定時查詢式發(fā)送。CAN接收任務時,每次盲接轉發(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2個信號量(CAN—rcv,USB—wr)完成數(shù)據(jù)同步操作。數(shù)據(jù)轉發(fā)工作共有以下4個任務協(xié)調配合完成。
(1)USB中斷后續(xù)處理任務
CP2102接收到數(shù)據(jù)或發(fā)送完成,都會觸發(fā)中斷程序運行。中斷處理程序只需要簡單地通知此任務有中斷發(fā)生,以盡量減少中斷關閉的時間。因此,這個任務的優(yōu)先級最高,并且一旦開始運行便不再等待其他事件,要盡快處理完成。此任務根據(jù)USB接口的不同中斷原因,通知其他任務進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理或轉發(fā)工作。
(2)控制端點信息處理任務
當USB接口接收到主機發(fā)來的USB協(xié)議信息時,此任務得到通知。根據(jù)主機的要求,該任務按照USB協(xié)議規(guī)范的數(shù)據(jù)格式對主機應答。它主要用于USB設備枚舉階段,與主機之間進行信息交換。其他時間,此任務不占用處理器時間。
(3)CAN總線發(fā)送任務
當USB接口有新的數(shù)據(jù)要轉發(fā)到CAN總線時,USB中斷后續(xù)處理任務通知此任務運行。讀出USB芯片接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)到內存緩沖區(qū),然后分解成小于或等于8字節(jié)的數(shù)據(jù)包,增加CAN總線協(xié)議數(shù)據(jù)包頭,送入C805lF040的發(fā)送緩沖區(qū)。微處理器的主要處理時間就是USB數(shù)據(jù)包的分解和重新打包發(fā)送。
此任務占用處理器的時間最長。CAN發(fā)送任務每次等待USB接收中斷觸發(fā)USB_rd信號量后,開始讀取CP2102接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)到內存數(shù)組Ep2out_Bur[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)。在查詢過程中,如果C8051F040處于正在發(fā)送中,將任務休眠3個時鐘嘀嗒(<5 ms),然后再次查詢,避免長時間占用處理器。
(4)CAN總線接收任務
當CAN總線接收到數(shù)據(jù)后,由于數(shù)據(jù)包最多只有8個字節(jié),因此可以一次放入USB接口芯片發(fā)送緩沖區(qū),由主機讀取。此任務很少占用處理器時間。主要是為了協(xié)調CAN總線與USB總線之間數(shù)據(jù)轉發(fā)的同步,使數(shù)據(jù)包可以按照原來的順序接收到,并且不覆蓋尚未發(fā)送的上一個數(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,清除中斷標志。然后觸發(fā)CAN—rcv信號量,使CAN接收任務得以運行。CAN接收任務然后等待USB發(fā)送完成中斷觸發(fā)USB—wr信號量,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接收任務直接將CAN接收到的數(shù)據(jù)送入USB接口芯片CP2012的發(fā)送緩沖區(qū)。然后打開CAN接收中斷。
結 語
在遵守USB和CAN協(xié)議的基礎上,USB和CAN都采用了接收中斷方式,通過通信同步的握手協(xié)議,實現(xiàn)了USB數(shù)據(jù)與CAN數(shù)據(jù)之間的協(xié)議轉換和轉發(fā),很好地解決了USB的高速率和CAN的低速率,以及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)完整和協(xié)議的可靠轉換。