基于ARM7處理器LPC2119的USB-CAN轉(zhuǎn)換器設(shè)計

引言
    控制器局域網(wǎng)(controller area network，CAN)是20世紀80年代德國BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應用而推出的一種多主機局部網(wǎng)，由于CAN總線具有可靠性高、功能完善、成本合理、實時性等優(yōu)點，CAN總線早已不再局限于汽車行業(yè)，而被廣泛應用于各個自動化控制系統(tǒng)中，例如汽車電子、工業(yè)控制、智能大廈、安防監(jiān)控、環(huán)境控制等。目前CAN總線是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。通用串行總線(universalserial bus，USB)作為一種協(xié)議規(guī)范，是以Intel為首的7家計算機及通信產(chǎn)業(yè)廠商公司于1994年11月共同提出，其除具有使用方便(即插即用)、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸率高等優(yōu)點外，還具有軟硬件支持廣泛、功耗低、硬件結(jié)構(gòu)標準化和總線拓撲結(jié)構(gòu)完備等特點。目前在以計算機為上位機的應用領(lǐng)域，都首選USB口作為計算機與外設(shè)的接口。
    為了更好的將USB的通用性和CAN的專業(yè)性結(jié)合起來，通過計算機的USB接口接入CAN專業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)系統(tǒng)控制的便利性和應用的高效性，本文講述了一種基于ARM7處理器實現(xiàn)USB接口與CAN總線的實例，通過其可以在PC實現(xiàn)對CAN總線上設(shè)備的監(jiān)控。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
1．1 處理器簡介及其外圍電路設(shè)計
    主控制器選用NXP公司的ARM7核處理器LPC2119。LPC2119是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-STM CPU，并帶有128 KB嵌入的高速FLASH存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30％，而性能的損失卻很小。實行流水線作業(yè)，提供Embedded ICE邏輯，支持片上斷點和調(diào)試點，具有先進的軟件開發(fā)和調(diào)試環(huán)境。LPC2119具有非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路10位ADC、2路CAN、PWM通道、多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標準UART、高速I2C接口(400 kHz)和2個SPI接口，46個GPIO以及多達9個外部中斷，特別適用于汽車、工業(yè)控制應用以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯維護總線。
    LPC2119內(nèi)部集成2個CAN控制器，每一個CAN控制器都與獨立CAN控制器SJA1000有著相似的寄存器結(jié)構(gòu)。它的主要特性有：單個總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達1 Mb／s；32位寄存器和RAM訪問；兼容CAN2．0B，ISO11898-1規(guī)范；全局驗收濾波器可以識別所有的11位和29位標識符；驗收濾波器為選擇的標準標識符提供Full CAN-style自動接收。圖1所示為LPC2119外圍電路，為保證可靠復位，采用外部復位電路STM809。

1．2 USB接口電路設(shè)計
    USB接口采用沁恒電子的CH375。CH375是一個USB總線的通用接口芯片，支持USB-HOST主機方式和USB-DEVICE／SLAVE設(shè)備方式。在本地端，CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機／DSP／MCU／MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。CH375提供了串行通信方式，通過串行輸入、串行輸出和中斷輸出與單片機／DSP／MCU／MPU等相連接。圖2所示為CH375的接口電路。[!--empirenews.page--]

1．3 CAN總線接口電路設(shè)計
    CAN總線收發(fā)器采用82C250，并選用6N137作隔離，LPC2119的TD和RD引腳不是直接與82C250的TX、RX引腳相連，而是通過高速光耦6N137與82C250相連，這樣可增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，從而實現(xiàn)總線各節(jié)點間電氣隔離。高速光耦6N137用于保護LPC2119內(nèi)部CAN總線控制器，該光耦兩側(cè)采用5 V的DC-DC電源，可使器件的VCC與VCC1完全隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾能力以及節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。圖3所示為LPC2 119與CAN驅(qū)動器82C250的連接電路。DC-DC電源模塊采用B0505LS-2W，電路在圖4中所示。

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1．4 系統(tǒng)電源設(shè)計
    整個電路的電源由USB供電，由于LPC2119的IO電路電源要求為3．3 V，內(nèi)核電路電源要求為1．8 V，在本應用中采用兩片低壓差線性溫壓器(LDO)1117為系統(tǒng)供電，如圖4所示。
1．5 系統(tǒng)PCB設(shè)計
    整個系統(tǒng)的PCB采用雙面板方式設(shè)計，大小為100×120，布局及外形如圖5所示。

2 固件設(shè)計
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計時采用μVision3 IDE，μVision3IDE是一個窗口化的軟件開發(fā)平臺，它集成了功能強大的編輯器、工程管理器以及各種編譯工具(包括C編譯器、宏匯編器、鏈接／裝載器和16進制文件轉(zhuǎn)換器)，通過ULINK仿真調(diào)試。程序框架采用傳統(tǒng)的前后臺方式。CAN控制器驅(qū)動程序包括4部分內(nèi)容：CAN控制器的初始化、報文的接收、報文的發(fā)送和總線異常處理。由于LPC2119沒有開發(fā)內(nèi)部讀寫總線，本設(shè)計在對CH375操作時使用通用I／O模擬并口讀寫時序，其端口定義方式如下：

    程序在使用通用I／O模擬并口讀寫時序?qū)H375的基本操作包括CPU端口初始化、向CH375寫命令、向CH375寫數(shù)據(jù)、從CH375讀數(shù)據(jù)，其實現(xiàn)過程包含：初始化void CH375_PORT_INIT()；向CH375寫命令void xWriteCH375Cmd(uint8 mCmd)；向CH375寫數(shù)據(jù)void xWrite CH375 Data(uint8 mData)；從CH375讀數(shù)據(jù)uint8 xReadCH375Data(void)等4個基本函數(shù)。

3 結(jié)語
    本系統(tǒng)設(shè)計采用內(nèi)置CAN控制器的LPC2119作為主控制器，CH375作為USB接口芯片，實現(xiàn)USBCAN轉(zhuǎn)換器，論述了LPC2119的外圍電路、CAN總線驅(qū)動電路以及LPC2119與CH375之間的接口連接，并在軟件給出LPC2119使用通用I／O模擬并口讀寫時序的方法，對LPC2119，CH375及CAN總線的實際應用具有一定的參考價值。