USB-CAN-RS232總線轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1 引言

       隨著電子設(shè)備的大量出現(xiàn)及針對(duì)各種控制系統(tǒng)的實(shí)際需求，各種通信網(wǎng)絡(luò)相繼產(chǎn)生。由于它們的總線結(jié)構(gòu)，通信協(xié)議及傳輸特點(diǎn)各不相同，給不同設(shè)備之間的連接帶來很多麻煩，因而急需各種總線之間的轉(zhuǎn)換裝置。目前較流行的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)有RS－232，RS422/485、HART、Profield、Dupline、CAN和LonWorks等，本文闡述了一種USB－CAN－RS232三總線轉(zhuǎn)換裝置，電路設(shè)計(jì)簡單新穎，并并且攜帶方便，實(shí)用性很強(qiáng)。 

2 各種總線的特點(diǎn) 

2.1 CAN（Controller Area Netwrok） 

    CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇。與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，具有較高的通信速率（最高達(dá)1Mb/s），較遠(yuǎn)的通信距離（最遠(yuǎn)達(dá)10km），良好的抗電磁干擾能力，而且采用總線仲裁技術(shù)，通信方式靈活，越來越受到人們的重視，它在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛，一些著名的汽車制造廠商如BENZ（奔馳）、BMW（寶馬）、PORSCHE（保時(shí)捷）、ROLLS－ROYCE（勞斯萊斯）和JAGUAR（美洲豹）等都采用CAN總線實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。

2.2 USB（Universal Serial Bus） 

     USB即"通用串行總線"是一種應(yīng)用在PC中的表型總線，由Intel、Microsoft、NEC等公司共同提出，他是一種新型的外接串聯(lián)口，提出該規(guī)格的廠商希望用USB取代現(xiàn)有的外接設(shè)備接口，它還具備連接單一化、軟件自動(dòng)偵測以及熱插拔（即插即用）的功能，USB具有以下特點(diǎn)： 

1）數(shù)據(jù)傳輸速率高。USB高速：480Mb/s；USB全速：12Mb/s；USB低速：1.5Mb/s。 
2）數(shù)據(jù)傳輸可靠。USB事務(wù)處理包括錯(cuò)誤檢測機(jī)制，可以確保數(shù)據(jù)無錯(cuò)誤發(fā)送，在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，事務(wù)處理可以重新進(jìn)行。 
3）同時(shí)掛接多個(gè)USB設(shè)備，每個(gè)USB總線支持127個(gè)設(shè)備的連接。 
4）USB接口能為設(shè)備供電。當(dāng)外界電源要求電壓為5V且電流小于500mA時(shí)，可以直接從USB總線獲取電源，這樣，USB設(shè)備無需專用電源線，從而降低了設(shè)備成本。 
5）支持熱拔。USB實(shí)現(xiàn)了真正的"即插即用"功能，設(shè)備連接后由USB自檢測，并且由軟件自動(dòng)配置，完成后立刻就能使用，不需要用戶進(jìn)行干涉。 

3 器件特性 

3.1 SJA1000型CAN總線控制器 

    SJA1000是Philips公司早期PCA82C200型CAN控制器的代替品，功能更強(qiáng)，具有如下特點(diǎn)： 

     完成兼容PCA82C200及其工作模式即BASICCAN模式； 
     具有擴(kuò)展的接收緩沖器，64字節(jié)的FIFO結(jié)構(gòu)； 
     支持CAN2.0B； 
     支持11位和29位識(shí)別碼； 
     位速率可達(dá)1Mbit/s； 
     時(shí)鐘頻率高達(dá)24M赫茲； 
     支持與不同微處理器的接口； 
     可編程的CAN輸出驅(qū)動(dòng)配置； 
     工作溫度范圍寬（－40攝氏度～＋125攝氏度）。 

     SJA1000的引腳排列如圖1所示，其內(nèi)部主要由接口管理邏輯IML、信息緩沖器（含發(fā)送緩沖器TXB和接收緩沖器RXFIFO）、位流處理器BSP、接收過濾器ASP、位時(shí)序處理邏輯BTL、錯(cuò)誤管理邏輯EML、內(nèi)部振蕩器及復(fù)位電路等構(gòu)成，IML接收來自CPU的命令，控制CAN寄存器的尋址并向控制提供中斷信息及狀態(tài)信息，CPU的控制經(jīng)IML把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入TXB，TXB中的數(shù)據(jù)由BSP處理后經(jīng)BTL輸出到CAN BUS。BTL始終監(jiān)視CAN BUS，當(dāng)檢測到有效的信息頭"隱性電平－控制電平"的轉(zhuǎn)換時(shí)啟動(dòng)接收過程，接收的信息首先要由位流處理器DSP處理，并由ASP過濾，只有當(dāng)接收的信息的識(shí)別碼與ASP檢驗(yàn)相符時(shí)，接收信息才最終被寫入RXB或RXFIFO中，RXFIFO最多可以緩存64字節(jié)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可被CPU讀取，EML負(fù)責(zé)傳遞層中調(diào)制器的錯(cuò)誤管制，它接收BSP的出錯(cuò)報(bào)告，促使DSP和IML進(jìn)行錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)。 

3.2 USBN9603型USB接口電路

     USBN9603的引腳排列如圖2所示，它是標(biāo)準(zhǔn)的USB接口電路，符合USB1.0和USB1.1協(xié)議。USBN9603集成了3.3V的穩(wěn)定電源、串行接口引擎SIE、多個(gè)USB端點(diǎn)緩沖FIFO、1個(gè)8位并行微處理器接口和1個(gè)時(shí)鐘源。

       USBN9603的性能如下：
       低電流，低功能，外接24M赫茲晶體振蕩器。 
       增強(qiáng)型的DMA機(jī)制支持?jǐn)?shù)據(jù)快速自動(dòng)傳輸； 
       集成了64B的雙向FIFO存儲(chǔ)器； 
       外處理器接口模式可由軟件控制； 
       支持24M赫茲晶體振蕩器和內(nèi)部48M赫茲時(shí)鐘產(chǎn)生電路； 
       時(shí)鐘頻率可由軟件控制； 
       8位并行接口有兩種可選模式，包括地址/數(shù)據(jù)復(fù)用型和非地址/數(shù)據(jù)復(fù)用型； 
       接收和發(fā)送端的緩沖為64B； 

4 硬件設(shè)計(jì) 

    電路中使用的微處理器是ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51型單片機(jī)，硬件連接如圖3所示，USBN9603的CLKOUT與AT89C51的XTAL1相連，USBN9603的時(shí)鐘輸出為AT89C51提供時(shí)鐘輸入。AT89C51通過并行地址/數(shù)據(jù)復(fù)用的方式訪問USBN9603，AT89C51的P2.0通過74HC14反向后片選USBN9603，其地址為0x00－0x1FF。選用SJA1000作為CAN微控制器，SJA1000集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的幀處理，其地址為0x000－0x0FF。AT82C50作為CAN控制器和物理總線之間的接口，用于提供總線的差動(dòng)發(fā)送能力和CAN控制器差動(dòng)接收能力。通過AT82C50的引腳3可選擇3種不同的工作方式（高速、斜率控制和待機(jī)）。該引腳接地為高速方式，高速光耦隔離用6N137實(shí)現(xiàn)，其作用是防止串入信號(hào)的干擾。MAX232用來完成RS232電平到微控制器接口電路的TTL電平轉(zhuǎn)換，同時(shí)還可進(jìn)行一些總線端口的工作參數(shù)設(shè)置。

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5 軟件設(shè)計(jì)

       在微控制器的控制下，各總線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，微控制器先對(duì)各個(gè)總線工作參數(shù)進(jìn)行初始化，設(shè)置好時(shí)鐘、寄存器、波特率、并選擇合適的中斷方式，對(duì)于SJA1000，主要指對(duì)控制寄存器CR、驗(yàn)收碼寄存器ACR、驗(yàn)收屏蔽寄存器AMR、時(shí)鐘分頻寄存器CDR、總線定時(shí)寄存器BTR0、總線定時(shí)器BRT1等的設(shè)置。USB的傳輸方式有4種：控制傳輸、塊傳輸、同步傳輸和中斷傳輸。本設(shè)計(jì)中使用了控制傳輸和塊傳輸。USBN9603的內(nèi)部寄存器和FIFO緩沖區(qū)分別對(duì)每個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行控制，當(dāng)接到主機(jī)法來的IN標(biāo)記包時(shí)，發(fā)送端點(diǎn)應(yīng)自動(dòng)向上發(fā)送數(shù)據(jù)。如果沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則回應(yīng)NAK（Negative Acknowledegment）握手包。其主程序流程如圖4所示。

    在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，一定要正確選擇需要傳輸數(shù)據(jù)的2種總線，可以用軟件或硬件進(jìn)行選擇。 

6 結(jié)束語 

     這種3總線轉(zhuǎn)換器可方便地實(shí)現(xiàn)不同端口設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，USB－CAN的轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到1Mb/s。如果現(xiàn)場條件要求較高且適應(yīng)性要求較強(qiáng)，可采用雙CPU、加數(shù)據(jù)緩沖區(qū)RAM等措施來完善電路。這樣無形中增加了硬件電路的復(fù)雜性和軟件設(shè)計(jì)的邏輯性。