使用USB接口芯片CH372實(shí)現(xiàn)CAN適配器的軟硬件設(shè)計(jì)

利用芯片CH372可在不了解任何USB協(xié)議或固件程序甚至驅(qū)動(dòng)程序的情況下，輕松地將并口或串口產(chǎn)品升級(jí)到USB接口。該系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較之以往的系統(tǒng)，可以更加靈活、高速、高效地完成大量數(shù)據(jù)交換，并可應(yīng)用于多種控制系統(tǒng)之中，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

引言

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要與計(jì)算機(jī)相結(jié)合。目前，在微機(jī)上擴(kuò)展CAN總線(xiàn)接口設(shè)備一般采用PCI總線(xiàn)或者RS-232總線(xiàn)。PCI雖然仍是高速外設(shè)與計(jì)算機(jī)接口的主要渠道，但其主要缺點(diǎn)是占用有限的系統(tǒng)資源、擴(kuò)展槽地址；中斷資源有限；并且插拔不方便；價(jià)格較貴；而且設(shè)計(jì)復(fù)雜、需有高質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)程序保證系統(tǒng)的穩(wěn)定；且無(wú)法用于便攜式計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展；RS-232雖然插拔方便，但是傳輸速率太慢。

本文的設(shè)計(jì)思想是通過(guò)使用USB接口芯片CH372，將計(jì)算機(jī)與CAN網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)參數(shù)相互準(zhǔn)確快速地傳輸。CH372是一種USB總線(xiàn)通用接口芯片，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通過(guò)CH372的配套軟件可提供簡(jiǎn)潔易用的操作接口，從而使其與本地端的單片機(jī)通訊就如同讀寫(xiě)硬盤(pán)中的文件一樣簡(jiǎn)單，由于CH372屏蔽了USB通訊中的所有協(xié)議，因而可在計(jì)算機(jī)應(yīng)用層與本地端控制器之間提供端對(duì)端的連接，在不需要了解任何USB協(xié)議或者固件程序甚至驅(qū)動(dòng)程序的情況下，就可輕松地將并口、串口產(chǎn)品升級(jí)到USB接口。

CAN適配器用于完成USB總線(xiàn)和CAN總線(xiàn)之間的數(shù)據(jù)交換。使用MCU統(tǒng)籌安排數(shù)據(jù)在USB總線(xiàn)和CAN總線(xiàn)之間的數(shù)據(jù)交換。以MCU為界可以將硬件分為兩部分：一是MCU和USB總線(xiàn)交換數(shù)據(jù)；二是MCU控制CAN控制器，完成CAN數(shù)據(jù)包到CAN總線(xiàn)位序列協(xié)議解釋?zhuān)撓到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

硬件設(shè)計(jì)

USB接口電路在微控制器和USB接口的選擇上有兩種方式：一種是采用具備USB通訊功能的微處理器。隨著USB應(yīng)用的日益廣泛，Intel、Cypress、Philips等芯片廠(chǎng)商都推出了具有USB通信接口的微處理器，如8X930A、8X931A、EZ-USB等。由于這些微處理器具有USB接口，它們與過(guò)去的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)不兼容，需要購(gòu)買(mǎi)新的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，投資較高。另一種是采用普通微處理器加上專(zhuān)用的USB通信芯片。

現(xiàn)在的專(zhuān)用芯片中較流行的有USBN9602、SL11、PDIUSBD12等。但是，USB接口的開(kāi)發(fā)一般要求設(shè)計(jì)人員對(duì)USB的標(biāo)準(zhǔn)、Firmware編程及驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)等有較深入的理解，因此限制了一般的硬件工程師對(duì)USB接口產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)使用。本系統(tǒng)中使用了USB接口芯片CH372，使用非常簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)人員只要熟悉單片機(jī)的編程及簡(jiǎn)單的VB或者VC應(yīng)用程序編程，在較短的時(shí)間內(nèi)就可開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的USB產(chǎn)品。

CH372是一個(gè)USB總線(xiàn)的通用設(shè)備接口芯片，遵守USB1.1協(xié)議。在本地端，CH372具有8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)和讀、寫(xiě)、片選控制線(xiàn)以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)、DSP等控制器的系統(tǒng)總線(xiàn)上；在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CH372的配套軟件提供了簡(jiǎn)潔易用的操作接口，與本地端的單片機(jī)通信就如同讀寫(xiě)硬盤(pán)中的文件。CH372內(nèi)置了USB通訊中的底層協(xié)議，具有內(nèi)置固件模式和外置固件模式。在內(nèi)置固件模式下CH372屏蔽了USB通信中的所有協(xié)議，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用層與本地端控制器之間提供端對(duì)端的連接。使用CH372，不需要了解任何USB協(xié)議或者固件程序，甚至驅(qū)動(dòng)程序，就可以輕松地將并口、串口的產(chǎn)品升級(jí)到USB接口。

CH372芯片的RD和WR可以分別連接到單片機(jī)的讀選通輸出引腳和寫(xiě)選通輸出引腳。CS由地址譯碼電路驅(qū)動(dòng)，用于當(dāng)單片機(jī)具有多個(gè)外圍器件時(shí)進(jìn)行設(shè)備選擇。INT可以連接到單片機(jī)的中斷輸入引腳，中斷請(qǐng)求是低電平有效。當(dāng)CS和RD以及A0都為低電平時(shí)，CH372中的數(shù)據(jù)通過(guò)D7～D0輸出；當(dāng)CS和WR以及A0都為低電平時(shí)，D7～D0上的數(shù)據(jù)被寫(xiě)入CH372芯片中；當(dāng)CS和WR都為低電平而A1為高電平時(shí)，D7～D0上的數(shù)據(jù)被作為命令碼寫(xiě)入CH372芯片中。CH372芯片的UD+和UD-引腳應(yīng)該直接連接到USB總線(xiàn)上。如果為了芯片安全而串接保險(xiǎn)電阻或者電感，那么交直流等效串聯(lián)電阻應(yīng)該在5Ω之內(nèi)。CH372芯片內(nèi)置了電源上電復(fù)位電路，一般情況下，不需要外部提供復(fù)位。

CH372芯片正常工作時(shí)需要外部為其提供12MHz的時(shí)鐘信號(hào)。一般情況下，時(shí)鐘信號(hào)由CH372內(nèi)置的反相器通過(guò)晶體穩(wěn)頻振蕩產(chǎn)生。外圍電路只需要在X1和X0引腳之間連接一個(gè)標(biāo)稱(chēng)頻率為12MHz的晶體，并且分別為X1和X0引腳對(duì)地連接一個(gè)容量為30pF的高頻振蕩電容。CH372芯片支持5V電源電壓或者3.3V電源電壓。當(dāng)使用5V工作電壓時(shí)，CH372芯片的VCC引腳輸入外部5V電源，并且，V3引腳應(yīng)該外接容量為0.1μF左右的電源退耦電容。當(dāng)使用3.3V工作電壓時(shí)，CH372芯片的V3引腳應(yīng)該與VCC引腳相連接，同時(shí)輸入外部的3.3V電源，并且與CH372芯片相連接的其它電路的工作電壓不能超過(guò)3.3V。接口電路如圖2所示。

CAN總線(xiàn)接口電路這部分由CAN控制器、CAN接口芯片和光耦組成。CAN控制器完成CAN通訊協(xié)議的所有要求，CAN接口芯片是CAN控制器和物理總線(xiàn)間的接口，并經(jīng)由光耦將數(shù)據(jù)發(fā)往CAN總線(xiàn)，接口電路圖如圖3所示。

CAN總線(xiàn)控制器采用Philips公司的SJA1000，并輔以該公司的PCA82C250接口驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)光電隔離器件6N137實(shí)現(xiàn)了總線(xiàn)與控制器的隔離。SJA1000是一款獨(dú)立的控制器，用于汽車(chē)和一般工業(yè)環(huán)境中，從軟件的角度來(lái)看，對(duì)SJA1000的操作通過(guò)單片機(jī)的訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器指令來(lái)完成，所以，SJA1000可以被視為一種擴(kuò)展RAM，SJA1000具有標(biāo)準(zhǔn)模式和Peli模式兩種應(yīng)用模式。標(biāo)準(zhǔn)模式符合CAN2.0A協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，接收緩沖器有64個(gè)字節(jié)；Peli模式符合2.0B標(biāo)準(zhǔn)，能處理擴(kuò)展數(shù)據(jù)格式，具有仲裁丟失捕獲、代碼讀取等功能。

PCA82C250是CAN控制器和物理總線(xiàn)之間的接口，它具有限定的電流值以保護(hù)接收器輸出級(jí)，避免陽(yáng)極和陰極的短路，以防止輸出級(jí)的損壞，PCA82C250CAN接口控制器提供了總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)發(fā)送和接收能力，高速可達(dá)1Mbps，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

為了增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，在SJA1000和CAN總線(xiàn)收發(fā)器82C250之間使用兩個(gè)高速光電隔離器件6N137實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)和控制器的隔離，以避免干擾，提高工作可靠性。CAN控制器可以選擇從RX0、TX0或RX1、TX1接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)使用RX0、TX0工作時(shí)，須將RX1接到一個(gè)穩(wěn)定的電平上。高速光耦6N137的最高速度可達(dá)10Mbps，利用它可以在隔離的狀態(tài)下保證系統(tǒng)的高速可靠。

軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用的微控制器為P89C51RD2，它是采用先進(jìn)的CMOS工藝的單片8位微處理器。工作在6時(shí)鐘模式時(shí)，速度是標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)的兩倍，此時(shí)最高外部晶振可達(dá)20MHz。此外，該機(jī)型支持ISP編程和IAP編程。軟件主程序的流程圖如圖4所示。

首先進(jìn)行MCU、SJA1000和USB的初始化，初始化后系統(tǒng)處于循環(huán)等待狀態(tài)，若有中斷產(chǎn)生，就進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，如果CAN總線(xiàn)有數(shù)據(jù)上傳，則轉(zhuǎn)入CAN中斷服務(wù)程序，由微處理器從SJA1000緩沖區(qū)接收數(shù)據(jù)，寫(xiě)入微處理器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并置標(biāo)志返回，如果上位機(jī)有數(shù)據(jù)下傳，則轉(zhuǎn)入U(xiǎn)SB中斷服務(wù)程序（下位機(jī)中斷服務(wù)程序流程如圖5所示），微處理器從USB緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，存入緩沖區(qū)，并置標(biāo)志返回，接收數(shù)據(jù)是將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)讀出發(fā)送到USB總線(xiàn)，通過(guò)USB總線(xiàn)傳送到上位機(jī)（下位機(jī)數(shù)據(jù)上傳子程序流程簡(jiǎn)圖如圖6所示），發(fā)送數(shù)據(jù)是將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)讀出寫(xiě)入SJA1000的緩沖區(qū)，由CAN節(jié)點(diǎn)讀取，這種處理可以使微處理器在執(zhí)行完相應(yīng)的中斷程序后只需讀取緩沖區(qū)，然后執(zhí)行相應(yīng)的接收或發(fā)送程序即可完成上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。對(duì)于計(jì)算機(jī)應(yīng)用層的程序，在計(jì)算機(jī)上裝載WINCHIPHEAD提供的CH372的通用驅(qū)動(dòng)程序后，不必再考慮USB通信協(xié)議、固件程序、驅(qū)動(dòng)程序、自動(dòng)配置過(guò)程和底層數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。只需要根據(jù)提供的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)的接口函數(shù)，用VB或VC編制自己的應(yīng)用程序即可。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)與CAN總線(xiàn)之間的直接通信提供了一種有效的方法，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和接口技術(shù)的發(fā)展，探索現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)接口的新方法，是很有實(shí)踐意義的。