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基于USB的CAN總線適配器設(shè)計
摘要：提出一種使用USB接口實現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡(luò)與計算機連接的方案。討論了CAN總線與計算機之間的硬件接口電路，同時分析了固件編程方法及USB驅(qū)動程序設(shè)計思路。關(guān)鍵詞：USB CAN總線 固件編程 適配器
現(xiàn)場總線作為二十世紀80年代發(fā)展起來的新興技術(shù)，在工業(yè)現(xiàn)場已有了廣泛的應(yīng)用。在比較有影響力的幾種現(xiàn)場總線中，CAN總線以其突出的優(yōu)點不僅大量應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，而且在樓宇自動化、智能終端設(shè)備等民用領(lǐng)域也有了長足的發(fā)展。
現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實現(xiàn)需要與計算機相結(jié)合。以往CAN總線網(wǎng)絡(luò)與計算機的連接采用RS232、ISA或PCI接口。但是隨著計算機接口技術(shù)的發(fā)展，ISA接口已經(jīng)逐漸被淘汰；RS232接口數(shù)據(jù)傳輸率太低；PCI雖然仍是高速外設(shè)與計算機接口的主要渠道，但其主要缺點是占用有限的系統(tǒng)資源、設(shè)計復(fù)雜、需有高質(zhì)量的驅(qū)動程序保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，且無法用于便攜式計算機的擴展。隨著USB1.1、USB2.0規(guī)范的相繼制定，為外設(shè)與計算機的接口提出了新的發(fā)展方向。USB的主要特點有：外設(shè)安裝簡單，可實現(xiàn)熱插撥；通訊速率高，USB1.1全速傳送速率為12Mbps，與標準串行端口相比，大約快100倍；支持多設(shè)備連接；提供內(nèi)置電源。
本文給出一種在Windows2000下使用USB1.1協(xié)議實現(xiàn)CAN總線適配器的設(shè)計方法。整個設(shè)計主要開發(fā)適配器的固件及計算機的驅(qū)動程序、應(yīng)用程序，以達到用USB接口連接現(xiàn)場CAN總線網(wǎng)絡(luò)的目的。
圖1
1 適配器硬件接口設(shè)計
適配器硬件電路由微控制器、CAN總線接口、USB總線接口和DC-DC隔離電源模塊等組成。原理框圖如圖1所示。
微控制器P89C51RD2是Philips公司生產(chǎn)的增強型MCS-51兼容單片機，片內(nèi)集成64KB閃存和1KB擴展RAM，雙數(shù)據(jù)指針，4級中斷優(yōu)先級，7個中斷源，(范文先生網(wǎng)www.gymyzhishaji.com收集整理)內(nèi)置看門狗，可編程時鐘輸出，在6時鐘模式下工作，速度是標準51單片機的兩倍。此時外部最高頻率可達20MHz。在高速、大程序容量、中小規(guī)模數(shù)據(jù)處理場合是一款非常理想的單片機型。
CAN總線接口使用Philips公司的獨立CAN總線控制器SJA1000，并由光耦6N136進行總線隔離。SJA1000是一種獨立控制器，用于移動目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制，符合CAN2.0A和2.0B規(guī)范，最高速率可在達1Mbps。CAN總線收發(fā)器采用PCA82C250。
PDIUSBD12是Philips公司推出的全速USB接口器件，完全兼容USB1.1規(guī)范。圖1中D+引腳信號電平通過器件SoftConnect命令內(nèi)部上拉，從而向主機表示為一個全速設(shè)備。EOT引腳自動檢測USB接口的VBUS電壓以確定USB電纜是否連接到了主機。SUSPEND是雙向引腳，用以向微控制器指示器件是否掛起。當有USB總線事件發(fā)生時，引腳向微控制器發(fā)出中斷信號。PDIUSBD12支持總線復(fù)用和非復(fù)用兩種并行接口模式，以方便連接不同類型的微控制器。圖1中采用總線復(fù)用方式，當用奇數(shù)地址訪問PDIUSBD12時被認為是命令，偶數(shù)地址訪問則被認為是數(shù)據(jù)讀寫。
各器件都需要外部時鐘信號，而且它們自身也都有可編程的時鐘輸出功能，這就給系統(tǒng)的時鐘設(shè)計帶來了便利。圖1中微控制器6時鐘運行模式下，外部為12MHz晶振。P89C51RD2的P1.1引腳產(chǎn)生6MHz方波作為PDIUSBD12的輸入時鐘；通過PDIUSBD12的SetMode寄存器編程使CLKOUT輸出時鐘頻率為24MHz，作為SJA1000的外部輸入時鐘。
2 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計包括微控制器的固件設(shè)計和計算機端USB驅(qū)動程序兩部分。
2.1 微控制器固件編程
固件編程是USB數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中終端設(shè)備程序設(shè)計的一個重要概念。微控制器通過固件是程序與計算機進行數(shù)據(jù)交換。固件設(shè)計的目的是：使PDIUSBD12在USB上達到最大的傳輸速率；增加系統(tǒng)的可擴展性和硬件無關(guān)性。
固件要實現(xiàn)的內(nèi)容：一是對SJA1000初始化，接收CAN總線送來的數(shù)據(jù)，收集CAN網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，并將主機的數(shù)據(jù)下發(fā)到CAN網(wǎng)絡(luò)；二是對PDIUSBD12初始化，完成USB總線連接過程，并組織CAN網(wǎng)絡(luò)和主機之間的數(shù)據(jù)傳送。設(shè)計中采用KeilC51軟件編譯環(huán)境，C51和ASM混合編程方式。
SJA1000和PDIUSBD12都有完善的中斷機制，微控制器可以通過讀它們的中斷寄存器獲得總線事件。為了提高固件的運行效率，主程序?qū)ο到y(tǒng)進行實始化后開放中斷，在中斷服務(wù)程序中對事件進行分析和必要的處理，并設(shè)置相應(yīng)的變量標志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。主程序則循
環(huán)查詢變量標志，調(diào)用相應(yīng)的子程序進行處理。這種程序結(jié)構(gòu)使得主程序能夠在前臺處理各種數(shù)據(jù)傳送任務(wù)，同時又可以通過中斷在后臺及時處理總線事件。
2.1.1 CAN協(xié)議實現(xiàn)
SJA1000支持BasicCAN和PeliCAN兩種協(xié)議模式。在適配器設(shè)計中采用了BasicCAN模式。中斷設(shè)為電平中斷方式，SJA1000中斷服務(wù)程序框圖如圖2所示。
2.1.2 USB1.1協(xié)議實現(xiàn)
PDIUSBD12支持所有的四種USB數(shù)據(jù)傳輸方式。在適配器的設(shè)計中使用了控制傳輸、中斷傳輸和批量傳輸�？刂苽鬏斨兄挥脕韨鬟f控制信息，固定使用端點0；中斷傳輸使用端點1，用來傳送CAN網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息；批量傳輸用來實現(xiàn)主機和CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳送，使用端點2。圖3是PDIUSBD12中斷服務(wù)程序框圖。
2.2 驅(qū)動程序設(shè)計
USB驅(qū)動程序?qū)儆赪DM(Windows driver module)類型。WDM驅(qū)動程序是分層的，引入了FDO（Function Device Object）和PDO（Physical Device Object）兩個新類來描述硬件，每一個物理硬件有一個PDO，但是可以有多個FDO，在驅(qū)動程序中直接操作的是PDO和FDO。系統(tǒng)通過全局唯一標識符GUID實現(xiàn)驅(qū)動程序的識別。應(yīng)用程序和WDM驅(qū)動程序通信時，系統(tǒng)為每個用戶請求打包形成一個I/O請求包發(fā)送到驅(qū)動程序。
圖4是Windows中USB的通信層次結(jié)構(gòu)模型。圖4系統(tǒng)軟件方塊中的底部是Windows系統(tǒng)提供的驅(qū)動程序，包括主控制器驅(qū)動程序（OPENHCI.SYS或者UHCD.SYS）、HUB驅(qū)動程序（USBHUB.SYS）是一個類驅(qū)動程序（USBD.SYS）。
Windows2000下驅(qū)動程序的設(shè)計工具是VC++和Win2000DDK，但是直接使用DDK編程有相當大的難度。目前有第三方軟件廠商提供了一些驅(qū)動程序開發(fā)工具，如Jungo公司的WinDriver、Compuware公司的DriverStudio等。這些工具仍然是基于WindowsDDK的，但是進行了新的封裝，提供了驅(qū)動程序設(shè)計向?qū)А?br />
適配器設(shè)計中采用了DriverStudio作為驅(qū)動程序開發(fā)工具。利用其中的DriverWorks一步步地作出選擇并修改少量參數(shù)，即可生成驅(qū)動程序框架和測試臺應(yīng)用程序框架，對USB設(shè)備的通用性部分支持得很好。在程序框架，對USB設(shè)備的通用性部分支持得很好。在VC++中對向?qū)傻拇a作修改，并對設(shè)備特殊功能部分添加處理代碼，然后用VC++編譯為*.SYS文件，就是一個完整的驅(qū)動程序。SoftIce是DriverStudio的另一個調(diào)試工具，可以對驅(qū)動程序進行操作系統(tǒng)內(nèi)核級的跟蹤與調(diào)試。
生成驅(qū)動程序后，編寫相應(yīng)的INF文件是重要的一步。INF文件在操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)新硬件之后向系統(tǒng)指明應(yīng)該安裝的驅(qū)動程序、系統(tǒng)向設(shè)備提供的服務(wù)以及注冊表項要修改的內(nèi)容。
基于USB接口的CAN總線適配器經(jīng)過試驗運行證明：在中小規(guī)模和短時大數(shù)據(jù)塊傳送時，能夠很好地完成網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)。USB接口是計算機外設(shè)的發(fā)展趨勢，目前主要用在中低速場合。隨著USB2.0規(guī)范的推出，又逐漸向高速應(yīng)用發(fā)展。因此將現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和計算機接口相連的適配器具有廣泛的應(yīng)用前景。
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