基于LPC2119的USB-CAN轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案

通用串行總線(USB)作為一種協(xié)議規(guī)范，是以Intel為首的7家計(jì)算機(jī)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(diǎn)外，還具有軟硬件支持廣泛、功耗低、硬件結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化和總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完備等特點(diǎn)。目前在以計(jì)算機(jī)為上位機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，都首選USB口作為計(jì)算機(jī)與外設(shè)的接口。由于CAN總線具有可靠性高、功能完善、成本合理、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)自動(dòng)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(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

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(jì)算機(jī)的USB接口接入CAN專業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的便利性和應(yīng)用的高效性，本文講述了一種基于ARM7處理器實(shí)現(xiàn)USB接口與CAN總線的實(shí)例，通過其可以在PC實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線上設(shè)備的監(jiān)控。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1 處理器簡(jiǎn)介及其外圍電路設(shè)計(jì)

主控制器選用NXP公司的ARM7核處理器LPC2119。LPC2119是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)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(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)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(shí)行流水線作業(yè)，提供Embedded ICE邏輯，支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)，具有先進(jìn)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(gè)32位定時(shí)器、4路10位ADC、2路CAN、PWM通道、多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I2C接口(400 kHz)和2個(gè)SPI接口，46個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)外部中斷，特別適用于汽車、工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯(cuò)維護(hù)總線。

LPC2119內(nèi)部集成2個(gè)CAN控制器，每一個(gè)CAN控制器都與獨(dú)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：?jiǎn)蝹€(gè)總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1 Mb／s；32位寄存器和RAM訪問；兼容CAN2．0B，ISO11898-1規(guī)范；全局驗(yàn)收濾波器可以識(shí)別所有的11位和29位標(biāo)識(shí)符；驗(yàn)收濾波器為選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符提供Full CAN-style自動(dòng)接收。圖1所示為L(zhǎng)PC2119外圍電路，為保證可靠復(fù)位，采用外部復(fù)位電路STM809。

圖1 LPC2119外圍電路

1．2 USB接口電路設(shè)計(jì)

USB接口采用沁恒電子的CH375。CH375是一個(gè)USB總線的通用接口芯片，支持USB-HOST主機(jī)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(jī)／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(jī)／DSP／MCU／MPU等相連接。圖2所示為CH375的接口電路。

圖2 USB接口電路

1．3 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

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(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，從而實(shí)現(xiàn)總線各節(jié)點(diǎn)間電氣隔離。高速光耦6N137用于保護(hù)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(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。圖3所示為L(zhǎng)PC2 119與CAN驅(qū)動(dòng)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。

圖3 CAN驅(qū)動(dòng)器82C250的連接電路

圖4 DC-DC隔離電路

1．4 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

整個(gè)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(yīng)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(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的PCB采用雙面板方式設(shè)計(jì)，大小為100×120，布局及外形如圖5所示。

圖5 布局及外形

2 固件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用μVision3 IDE，μVision3IDE是一個(gè)窗口化的軟件開發(fā)平臺(tái)，它集成了功能強(qiáng)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(jìn)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(tái)方式。CAN控制器驅(qū)動(dòng)程序包括4部分內(nèi)容：CAN控制器的初始化、報(bào)文的接收、報(bào)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(jì)在對(duì)CH375操作時(shí)使用通用I／O模擬并口讀寫時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)基本函數(shù)。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)USBCAN轉(zhuǎn)換器，論述了LPC2119的外圍電路、CAN總線驅(qū)動(dòng)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(shí)序的方法，對(duì)LPC2119，CH375及CAN總線的實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。