基于TMS320F2812和USB100的CAN-USB總線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于DSP的CAN控制器和USB芯片的USB總線和CAN總線的通信模塊的設(shè)計(jì)，提出了一種使用USB接口實(shí)現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)連接的方案。利用USB100芯片可在不了解任何USB協(xié)議的情況下，完成計(jì)算機(jī)RS 232串口升級為USB接口，同時CAN接口采用DSP片上CAN控制器，硬件設(shè)計(jì)極為簡單。在DSP的控制下，PC機(jī)與CAN節(jié)點(diǎn)可以雙向通信，通信波特率可高達(dá)1 Mb／s，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定，可靠。實(shí)驗(yàn)證明，運(yùn)用TMS320F2812片上eCAN模塊來構(gòu)成CAN總線通信系統(tǒng)更為簡單，實(shí)用。
關(guān)鍵詞：USB；CAN總線；eCAN；TMS320F2812

0 引言
    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，全電子的計(jì)算機(jī)連鎖控制系統(tǒng)由上位機(jī)，聯(lián)鎖機(jī)和智能執(zhí)行單元三層結(jié)構(gòu)組成。本文所介紹的模塊正是在此背景下為數(shù)據(jù)通信進(jìn)行服務(wù)的。CAN總線是目前為止唯一有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線，由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性，實(shí)時性和靈活性，其應(yīng)用范圍目前已不再局限于最初的汽車行業(yè)，而擴(kuò)展到了機(jī)械工業(yè)包括數(shù)控機(jī)床，醫(yī)療器械，家用電器等領(lǐng)域。USB接口速度快、連線簡單和即插即用的特性是與上位機(jī)通訊非常好的外設(shè)接口。因此，基于USB接口實(shí)現(xiàn)CAN總線與PC機(jī)之間數(shù)據(jù)通信的研究具有一定的應(yīng)用意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)主要是由USB接口和CAN接口等模塊組成，其中微處理器TMS320F2812控制全局，實(shí)現(xiàn)通過USB接口將CAN總線數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)，以及通過USB接口將PC機(jī)數(shù)據(jù)傳送給CAN節(jié)點(diǎn)的雙向通信功能。傳統(tǒng)的CAN總線通信模塊一般要用到獨(dú)立的CAN控制器芯片，本系統(tǒng)微處理器F2812片上帶有eCAN模塊，設(shè)計(jì)時較為方便，下面簡要介紹eCAN模塊。
    eCAN模塊是TMS320F2812 DSP片上的增強(qiáng)型CAN控制器，其性能較之已有的DSP內(nèi)嵌CAN控制器有較大的提高，數(shù)據(jù)傳輸更加靈活方便，數(shù)據(jù)量更大、可靠性更高、功能更加完備。eCAN模塊它完全兼容CAN2．0B協(xié)議，可以在有干擾的環(huán)境里使用上述協(xié)議與其他控制器串行通信。除具有一般DSP內(nèi)嵌CAN控制器的所有功能外，與TMS320LF240x系列DSP的CAN模塊相比，它主要具有如下的一些增強(qiáng)特性：增加了郵箱數(shù)量，多達(dá)32個；eCAN是一個32位的高級CAN控制器；具有時間標(biāo)識；具有超時功能。
    以上這些增強(qiáng)特性使得TMS320F2812進(jìn)行CAN通信時，傳輸更加方便靈活、數(shù)據(jù)量更大、功能更完備。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 USB模塊的硬件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)USB接口模塊采用USB100模塊作為主控芯片。USB100模塊是USB通用設(shè)備接口芯片，具有8位數(shù)據(jù)總線接口，內(nèi)部多達(dá)384 B的發(fā)送緩沖區(qū)和128 B的接收緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)通信速率最高可達(dá)8 Mb／s，USB100模塊讀寫數(shù)據(jù)分別由RD和WR2個引腳控制，相當(dāng)于有讀寫2個地址，因此將這兩個地址映射到F2812外設(shè)接口的區(qū)域xzcs01中，0x2000作為寫地址，0x4000作為讀地址，通過XA13，XA14，XZCS01，XWE，XRD5個管腳進(jìn)行譯碼，即可方便地控制USB模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)。選用altera公司的CPLD芯片EPM7032作為譯碼器件，可以進(jìn)行在系統(tǒng)編程操作，其中上述5個管腳作為CPLD的輸入引腳，CPLD2個輸出引腳分別接至USB100模塊的RD和WR兩個引腳。由于USB100模塊是5 V供電，F(xiàn)2812是3．3 V供電，所以8位數(shù)據(jù)總線通過電平轉(zhuǎn)換器件741vc4245相連，數(shù)據(jù)方向由F2812的XR／W控制。根據(jù)USB100模塊時序圖，當(dāng)F2812檢測到USB100模塊TXE引腳為低時，表示內(nèi)部發(fā)送緩沖區(qū)允許發(fā)送數(shù)據(jù)到USB端口，可以將數(shù)據(jù)通過八位總線發(fā)給USB100模塊；當(dāng)F2812檢測到USB100模塊RXF為低時，表示內(nèi)部發(fā)送緩沖區(qū)有來自USB端口的數(shù)據(jù)。[!--empirenews.page--]
2．2 eCAN模塊應(yīng)用設(shè)計(jì)
    由于采用TMS320F2812片上增強(qiáng)型控制器eCAN，所以CAN模塊硬件電路極為簡單，只需將F2812的RX和TX引腳經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換器件連接至CAN收發(fā)器PCA82C250的TXD和RXD引腳，并以F2812作為CAN總線系統(tǒng)的微處理器，進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)收發(fā)。其硬件系統(tǒng)分為2層：第一層，CAN總線與F2812接口層；第二層，F(xiàn)2812與外圍器件的信息處理。CAN收發(fā)器采用低廉的PCA82C250，系統(tǒng)的擴(kuò)展性強(qiáng)，至少可連接110個節(jié)點(diǎn)，其引腳8(Rs)用于選擇工作模式，高速工作時上接一個斜率電阻，根據(jù)總線通信速度可適當(dāng)調(diào)整，一般在16～140 Kb／s之間。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 DSP程序設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)中，微處理器TMS320F2812主要完成2個功能：一是對eCAN控制器進(jìn)行初始化；二是完成上位機(jī)USB接口和下位機(jī)CAN接口的數(shù)據(jù)通信。USB接口通信通過查詢USB100的TXE和RXF引腳的狀態(tài)來完成上位機(jī)與微處理器F2812的數(shù)據(jù)交換，CAN接口的通信主要包括eCAN模塊的消息發(fā)送和接收。
    F2812上電復(fù)位后，必須對軟件進(jìn)行初始化，其中最重要的是對eCAN模塊初始化。消息發(fā)送時，需要初始化發(fā)送郵箱，包括向寄存器CANME使能相應(yīng)郵箱、設(shè)置CANMD方向、通過MBOXn．MSGID(n=O～31)設(shè)置發(fā)送郵箱的ID等操作，初始化后向消息數(shù)據(jù)寄存器ECanaMboxes．Mboxn．MDR寫入上位機(jī)USB接口發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后設(shè)置EcanaRegs．CANTRS．bit．TRSn為1請求發(fā)送消息，等待傳輸響應(yīng)位TA=1，表示消息成功發(fā)送，并產(chǎn)生發(fā)送中斷，本系統(tǒng)通過發(fā)送中斷子程序統(tǒng)計(jì)發(fā)送消息個數(shù)。消息接收時，同樣需要初始化相應(yīng)的接收郵箱，完成初始化后，當(dāng)下位機(jī)通過CAN接口發(fā)送數(shù)據(jù)時，如果eCAN模塊的接收郵箱的ID與下位機(jī)消息的ID匹配，并成功接收，則相應(yīng)的接收消息掛起寄存器(CANRMP)的相應(yīng)位被置1；若CPU開放了eCAN接收中斷，則同時也產(chǎn)生接收消息中斷，在接收中斷子程序，可以將相應(yīng)的消息數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容發(fā)給USB100模塊的寫地址，同時需要查詢USB100的TXE端是否允許向USB端口發(fā)送數(shù)據(jù)。
    上位機(jī)通過USB接口發(fā)送數(shù)據(jù)，下位機(jī)通過CAN接口接收數(shù)據(jù)基本步驟為：
    (1)F2812初始化通用IO口以及eCAN控制器；
    (2)F2812檢測USB模塊是否有來自上位機(jī)的數(shù)據(jù)；
    (3)若有，將數(shù)據(jù)讀入配置好的eCAN發(fā)送郵箱；
    (4)啟動配置好的eCAN發(fā)送郵箱；
    (5)當(dāng)郵箱發(fā)送消息給下位機(jī)成功后，會進(jìn)入eCAN發(fā)送中斷程序；
    (6)清除相應(yīng)標(biāo)志后退出中斷程序，繼續(xù)等待上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。
    上位機(jī)通過USB接口接收數(shù)據(jù)，下位機(jī)通過CAN接口發(fā)送數(shù)據(jù)基本步驟為：
    (1)F2812初始化通用IO口以及eCAN控制器；
    (2)當(dāng)下位機(jī)通過CAN接口發(fā)送數(shù)據(jù)時，根據(jù)郵箱標(biāo)識符，已配置好的eCAN接收郵箱收到下位機(jī)數(shù)據(jù)，同時進(jìn)入eCAN接收中斷子程序；
    (3)F2812檢測USB模塊內(nèi)部緩沖區(qū)是否允許向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，若禁止，則等待；
    (4)若允許向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)寫入上位機(jī)；
    (5)清除相應(yīng)標(biāo)志后退出中斷程序，繼續(xù)等待下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。圖2為系統(tǒng)軟件流程圖。

[!--empirenews.page--]
3．2 上位機(jī)軟件編寫
    采用NI公司的LABWINDOWS／CVI8．0進(jìn)行上位機(jī)控制界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)通過PC機(jī)發(fā)送和接收CAN總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的功能。
    由于USB100模塊將USB接口虛擬成了RS 232標(biāo)準(zhǔn)的串口，程序要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)是調(diào)用WINDOWS下串口函數(shù)，使得用戶在CVI的界面下完成PC機(jī)數(shù)據(jù)的收發(fā)。該系統(tǒng)與PC機(jī)之間的通信主要通過調(diào)用LABWINDOWS／CVI函數(shù)庫中提供的RS 232函數(shù)庫，這幾個函數(shù)在設(shè)計(jì)驅(qū)動程序中具體實(shí)現(xiàn)。主要的函數(shù)有：配置串口函數(shù)：int OpenComConfig(int COMPort，char deviceName[]，long baudRate，int parity，int dataBits，int stopBits，int inputQueueSize，int outputQueueSize)；將字節(jié)寫入指定端口函數(shù)：int ComWrt(int COMPort，char buffer[]，int count)；從指定端口讀入字節(jié)函數(shù)：int ComRd(int COMPort，char buffer[]，int count)；在PC機(jī)上通過相應(yīng)控件啟動相應(yīng)端口函數(shù)，使得數(shù)據(jù)通過USB接口發(fā)送。

4 通信測試
    系統(tǒng)測試時，利用CAN調(diào)試器作為一個CAN節(jié)點(diǎn)，并利用調(diào)試器自帶的調(diào)試軟件在下位機(jī)上顯示。
    首先，進(jìn)行上位機(jī)通過USB接口發(fā)送數(shù)據(jù)，下位機(jī)通過CAN接口接收數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)置為擴(kuò)展幀，幀格式為數(shù)據(jù)幀，幀ID為0x000000 82，下位機(jī)CAN調(diào)試軟件以十六進(jìn)制接收數(shù)據(jù)，發(fā)送的是字符‘1’、‘2’、‘3’、‘4’、‘5’，下位機(jī)接收到的是對應(yīng)的ASCII碼值0x31～0x35，以十六進(jìn)制顯示。
    然后，進(jìn)行下位機(jī)通過CAN接口發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機(jī)通過USB口接收數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)置不變，發(fā)送的數(shù)據(jù)是0x31～0x35五個數(shù)據(jù)，上位機(jī)收到的是‘1’～‘5’五個字符。具體測試界面見圖3和圖4。

5 結(jié)語
    設(shè)計(jì)了一套USB-CAN總線通信模塊，其中CAN控制器特別的使用了F2812內(nèi)嵌eCAN模塊，在實(shí)際應(yīng)用中，該通信部分能有效，及時的與系統(tǒng)其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，較為有效地將DSP的高速處理能力和CAN總線的優(yōu)良特性結(jié)合起來，并且硬件電路設(shè)計(jì)更為簡單實(shí)用，采用C語言編程，提高了程序的可維護(hù)性，大大縮短了研發(fā)周期。