1、1基于 USB的 CAN总线适配器设计07自动化 4班 梁海森 （200730460411） 邝巨泉 （200730460409）1、摘 要随着现场总线技术和计算机外设接口技术的发展,现场总线与计算机快速有效的连接又有了更多的方案,USB 作为一种新型的接口技术，以其简单易用、速度快等特点而备受青睐。本文简要提出了 USB 接口与 CAN总线连接方案,论述了系统的硬件构成,固件开发和驱动程序等内容。 关键词：现场总线 USB CAN 总线2、引 言现场总线作为二十世纪 80年代发展起来的新兴技术，在工业现场已有了广泛的应用。随着信息技术的飞速发展，各种数据的实时采集和处理在现代工业控制中已成为
2、必不可少的部分。这要求我们设计的接口简单灵活且具有较高的数据传输率。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。如何将其与 PC机安全可靠低成本的互连,是一个亟待解决的问题。传统的外设与主机的通信接口难以满足上述要求。这些接口一般采用 PCI总线或 RS-232串行总线。PCI 总线虽然有很高的传输率（可达132Mbps） ，但是它们的扩充槽相当有限，且设计复杂。RS-232 串行总线连接方便，可是它的带宽非常有限，传输速度慢。USB 技术正是顺应这一要求提出的一种快速的，双向的，同步传输的,廉价的并可以进行热插拔的通用串行总线。它还提供了内置电源,可向低压
3、设备提供 5伏的电源。正是由于 USB的这些特点，使其获得了广泛的应用。CAN 总线是现场总线的一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,具有卓越的特性和极高的可靠性，特别适合工业过程监控设备的互连，被公认为几种最有前途的现场设备总线之一。整个系统设计目的就是设计一个适配器,可以将 CAN总线数据通过 USB接口迅速转送到 PC机进行处理分析,也可以通过它向 CAN节点传送数据或命令,以实现计算机与现场设备的通讯。3、硬件电路的设计该系统主要由 AT89C52控制电路、USB 接口电路、CAN 总线电路、挂起复位电路、光电隔离电路等组成，本设计系统主要部件结构图如下:2图1 硬件电路结构
4、图图2 硬件仿真原理图3.1 AT89C52控制电路AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8位单片机，片内置8k bytes的可反复擦写的 Flash存储单元和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM） ，功能强大。89C52是该接口电路的控制核心，其中 P0,P2口用做16位数据 I/O口，P1,P3口用做控制。33.2 CAN总线在本系统中，CAN 控制器采用 Philips公司生产的 SJA1000，它作为一个发送、接受缓冲器，实现主控制器和总线之间的数据传输;CAN 收发器采用TJA1050芯片，它是 CAN控制器和物理总线的接口，主要可以提供对总线的差动发送能力和对
5、CAN控制器的差动接受能力。 在 CAN总线结构中,总线的两端还要配置两个120 的电阻，其作用是总线匹配阻抗，可以增加总线传输的稳定性和抗干扰能力，减少数据传输中的出错率。为了增强 CAN总线节点的抗干扰能力,SJA1000的 TXO和 RX0可通过高速光耦6N137与 TJA1050相连,这样就很好的实现了总线上各节点的电气隔离。光耦部分电源与 CAN_V必须用小功率电源隔离模块进行隔离,这样就提高了节点的稳定性和安全性。3.3 USB接口本设计中的 PDIUSBD12是一个性能优化的 USB器件，通常用于基于微控制器的系统并与微控制器通过高速通用并行接口进行通信。PDIUSBD12 与
6、MCU的接口有 2种方式：多路地址/数据总线方式、单地址/数据总线方式。在这个系统中,我们采用的是前一种方式：使用了 AT89C52的INT0、ALE、WR、RD 和 P0口，A0 脚接地,当 PDIUSBD12接收到主机的有效信息时，会产生一个中断通知 89C52进行处理。若单片机的输出地址为奇数，则表示对 PDIUSBD12发送指令;若输出地址为偶数，则表示对 PDIUSBD12进行数据传输。AT89C52 将数据经 PDIUSBD12的并行接口送入 FIFO存储器。对一个单片机而言，PDIUSBD12 看起来就像 1个带 8位数据总线和 1个地址位的存储器件。控制 CLKOUT 时钟输出
7、为 SJA1000提供时钟输入。由于在 USB的信号传递过程中会掺杂进瞬间的高压噪声，这些噪声对 USB口的收发电路将产生致命的危害，因此需要对这些噪声电压进行抑制。在 USB接口电路中使用了 SN75240,它可以对 USB接口中的不正常电压进行有效的抑制，以保证硬件设备的安全。4、微控制器的固件编程4.1 CAN总线的软件设计CAN 总线的三层结构模型为：物理层、数据链路层和应用层。其中物理层和数据链路层的功能由 SJA1000完成，系统的开发主要在应用层软件的设计上，它主要由三个子程序：初始化子程序、发送数据和接收数据程序。同时，还包括一些数据溢出中断以及帧出错的处理。SJA1000 在
8、上电硬件复位之后，必须对其进行软件初始化之后才可以进行数据通讯，初始化过程主要包括对其复位模式下配置时钟分频寄存器 CDR、总线定时寄存器 BTR0和 BTR1、验收代码寄存器 ACR、验收屏蔽寄存器 AMR及输出控制寄存器 OCR等，实现对总线的速率、验收屏蔽码、输出引脚驱动方式、总线模式及时钟分频进行定义。下面为 SJA1000发送和接收数据的流程，基本过程为主控制器将数据保存到 SJA1000发送缓冲器，然后对命令寄存器的发送请求 TR标志位进行置位开始发送;接收过程为 SJA1000将从总线上接收到的数据存入接收缓冲器，通过其中断标志位通知主控制器来处理接收到的信息，接收4完毕之后清空
9、缓冲器，等待下次接收3。图3 CAN 的发送数据流程 图4 CAN 接收数据的流程图 发送数据子程序代码（例）：int can_tran_file(int id ,char *f)void far *ptr;char ch;int i,j,re_comd,length;FILE *fp;get_ram_access_right(); /*获得双口 RAM 控制权*/ptr=MK-FP(oxd000,0); /*将命令、文件名、文件长度和文件内存入双口 RAM*/FP_OFF(ptr)+=ox100;pokeb(FP_SEG(ptr),FP_OFF(ptr),02);FP_OFF(ptr)+;p
10、okeb(FP SEG(ptr),FP OFF(ptr),id);FP_OFF(ptr)+;pokeb(FP_SEG(ptr),FP_OFF(ptr),1);FP_OFF(ptr)+;i=0;while(fi!=0)pokeb(FP_SEG(ptr),FP_OFF(ptr),fi);FP_OFF(ptr)+;i+;pokeb(FP_SEG(ptr),FP_OFF(ptr),fi);ptr=MK_FP(oxd000,0);5FP_OFF(ptr)+=ox120;if(!(fp=fopen(f,“rb“)release_ram_acces_right();return(6);i=0;while(!
11、feof(fp)fread(pokeb(FP_SEG(ptr),FP_OFF(ptr),ch);FP_OFF(ptr)+;i+;fclose(fp);length=i-1;ptr=MK_FP(oxd000,0);FP_OFF(ptr)+=0x114;poke(FP_SEG(ptr),FP_OFF(ptr),length);release_ram_acces_right(); /*释放双口 RAM 控制权*/inportb(0x218); /*延时*/for(i=0;i6000;i+)ch=0; /*获得双口 RAM 控制权*/get_ram_access_right();prt=MK_FP(o
12、xd000,0);FP_OFF(ptr)+=ox4000;re_comd=peekb(FP_SEG(ptr),FP_OFF(ptr);if(re_comd=0x12) /*查询传送文件是否成功*/pokeb(FP_SEG(ptr),FP_OFF(ptr),0);release_ram_acces_right();return(1); /*传送成功，返回 1*/elseptr=MK_FP(oxd000,0);FP_OFF(ptr)+=ox4020;i=peekb(FP_SEG(ptr),FP_OFF(ptr);release_ram_acces_right();return(i);接收数据子程序
13、代码（例）：int can_recv_file(int id,char *f) void fra *ptr;6char ch;int i,j,re_comd,length;file *fp;get_ram_access_right();/*得到双口 ram 控制权*/ptr=mk_fp(oxd000,0);fp_off(ptr)+=ox100;pokeb(fp_seg(ptr),fp_off(ptr),01);fp_off(ptr)+;pokeb(fp_seg(ptr),fp_off(ptr),id);fp_off(ptr)+;pokeb(fp_seg(ptr),fp_pff(ptr),1);
14、fp_off(ptr)+;i=0;while(fi!=0) pokeb(fp_seg(ptr),fp_off(ptr),fi);fp_off(ptr)+;i+;pokeb(fp_seg(ptr),fp_off(ptr),fi);release_ram_acces_right();/*释放双口 ram 控制权*/inportb(ox218);for(i=0;i6000;i+)ch=0;get_ram_access_right(); /*得到双口 ram 控制权*/ptr=mk_fp(oxd000,0);fp_off(ptr)+=ox4000;re_comd=peekb(fp_seg(ptr),f
15、p_off(ptr);if(re_comd=ox11) pokeb(fp_seg(ptr),fp_off(ptr),0);if(!(fp=fopen(f,“wb“) release_ram_accea_right(); /*释放双口 ram 控制权*/return(6);ptr=mk_fp(oxd000,0);fp_off(ptr)+=ox4014;lenght=peek(fp_seg(ptr),fp_off(ptr);ptr=mk_fp(oxd000,0);fp_off(ptr)+=ox4020;fwrite(ptr,sizeof(char),length,fp);fclose(fp);re
16、lease_ram_acces_right();return(1); /*接收成功，返回 1*/else ptr=mk_fp(oxd000,0);fp_off(ptr)+=ox4020;7i=peekb(fp_seg(ptr),fp_off(ptr);release_ram_acces_right();return(i);/*接收失败，返回出错内容 */CAN 初始化程序：void init_can()largeunsigned int data i;for (i=0;i512;i+) _nop_()con_reg=ox41; /*设置软件复位*/for(i=0;i512;i+) _nop_(
17、) cpu_inter_reg=ox41; /*设置 cpu 接口 reg*/clk_out_reg=ox30;bus_config_reg=0;g_m_s_reg0=oxff; /*设置标准标识符屏蔽 reg*/g_m_s_reg1=ox1f;g_m_e_reg0=oxff;g_m_e_reg1=oxff;g_m_e_reg2=oxff;g_e_s_reg3=oxff;m15_m_reg0=oxff;/*设置 15 号信息块*/m15_m_reg1=ox1f;m15_m_reg2=oxff;m15_m_reg3=oxff;tim0_reg=ox87;tim1_reg=oxc8;mesg_re
18、g10=ox55;/*设置 1 到 15 好信息块的控制 reg*/mesg_reg20=ox55;mesg_reg30=ox55;mesg_reg40=ox55;mesg_reg50=ox55;8mesg_reg60=ox55;mesg_reg70=ox55;mesg_reg80=ox55;mesg_reg90=ox55;mesg_rega0=ox55;mesg_regb0=ox55;mesg_regc0=ox55;mesg_regd0=ox55;mesg_rege0=ox55;mesg_regf0=ox55;mesg_reg16=ox88;/*将 1 号信息块设置成传输方式*/mesg_r
19、eg12=oxf3;mesg_reg13=0;mesg_reg14=0;mesg_reg15=0;mesg_reg10=ox95;mesg_reg26=ox80;/*将 2 号信息块设置成接收方式*/mesg_reg22=oxf0;mesg_reg24=0;mesg_reg25=0;mesg_reg21=ox55;mesg_reg20=ox99;mesg_regf6=ox80;/*将 15 号信息块设置成接收方式*/mesg_regf1=ox55;mesg_regf0=ox99;con_reg=ox02;/*设置控制 reg*/5、 USB 总线的软件设计1、USB 驱动程序设计：在 Wind
20、ows环境下，不允许用户在应用程序中直接访问硬件设备，应用程序必须通过一个中间桥梁才能访问硬件设备，这个中间桥梁就是设备驱动程序。驱动程序是一个软件，是连接应用程序、硬件以及操作系统的桥梁，装入后成为操作系统内核的一部分。在这里应用 DriverStudio软件来编写驱动程序，DriverStudio 把那些每个驱动程序都需要的代码都封装成类库。库代码自动地处理例行的操作，这极大地简小了任务的复杂度。而且，C+编译器提供了 ANSIC 所不具备的优点：包括改进的类型安全检查，内连函数优化，以及更好的代码组织。9下面为用 DriverStudio开发一个 USB驱动程序的过程。写这个驱动程序只要
21、用到 DriverWorks。1） 首先打开 VC+6.0软件在菜单中选择 DriverStudio选项中的DriverWorks。2） 选择其中的 Start aNew Driver Project选项，创建一个新工程。3） 命名工程，保存，点击 next。4） 选择驱动程序的类型。由于 USB设备驱动程序是 WDM类型的，所以选择第一项，并在下边选择 Driverworks C+语言框架点击按钮“Next” 。5） 选择类型，由于的 USB设备驱动是要控制的硬件设备的，所以我们选择第一项，单击“Next” 。6） 选择的驱动程序所操作的总线类型。这里选择 USB。在 USB Vendor
22、ID和 USB Product ID中填入 USB设备的 VID和 PID。点击对话框中的 ，可以选择电脑中连接的 USB设备。在这里可以找到要识别的 USB实验板，可以点击select来选择这个硬件。在接下来的对话框中，需要加入 Endpoint1和Endpoint2的定义。点“Add”按钮，弹出一个的对话框，按照 USB的规定，对于端点，它的地址是 1；按照前面说明的设备的特点，Endpoint1 的最大的包大小为 16字节，因此在“Max Transer Size”中填入 16；Endpoint Name可以通过“Suggest Name”得到。按照这些原则，继续设置其他的配置，接下来继
23、续按“Next”按钮。7） 给驱动程序增加一些 IOCTL接口，然后点击“Next”按钮。 在接下来的对话框不需要创建任何注册表项，所以直接按“Next”按钮，接下来为电源设置，选择第 1项，按“Next”按钮。8） 设置本驱动程序的提供商，厂商的名字及设备描述，服务描述等。按“Next”按钮。附加选项，直接点“Next”按钮。9） 最后得到确认框图，确认无误后选择“Finish”完成了 USB设备的驱动程序的初步设置。从驱动中读数据的程序如下：void rec_data(unsigned char *can_rec) unsigned char outbuf105;HANDLE hFile,
24、 hDevice=0;BOOL bResult;ULONG nBytes = 0;nBytes =25;hFile = open_file(“PIPE02“);if(hFile = INVALID_HANDLE_VALUE)return;hDevice = open_dev();bResult = ReadFile(hFile,outbuf,10,if(bResult=FALSE) DeviceIoControl(hFile,IOCTL_D12_RESET_PIPE,0,0,0,0, CloseHandle(hFile);CloseHandle(hDevice);102、PDIUSBD12 程
25、序设计： PDIUSBD12 是一款带有并行总线和局部 DMA传输能力的高速 USB 接口器件,它支持 USB1.1协议的所有传输方式,在本设计中用到了控制传输,中断传输和批量传输。控制传输处理主机到 USB设备的控制信息,固定使用端点 0。中断传输用来传送数据量很小，但需要及时处理，以达到实时效果的数据，使用端点 1。批量传输用来实现 CAN节点与主机之间大数据快传送,使用主端点（端点 2）,一次最大可发送 64字节。PDIUSBD12 的固件设计成完全的中断驱动,当 MCU 处理前台任务时 USB 的传输可在后台进行。这就确保了最佳的传输速率和更好的软件结构,同时简化了编程和调试。后台 I
26、SR 中断服务程序和前台主程序循环之间的数据交换通过事件标志和数据缓冲区来实现,当 PDIUSBD12 从 USB 收到一个数据包那么就对 MCU 产生一个中断请求,MCU 立即响应中断,在 ISR中固件将数据包从 PDIUSBD12 内部缓冲区移到数据缓冲区,并在随后清零 PDIUSBD12 的内部缓冲区,以使能接收新的数据包。MCU 可以继续它当前的前台任务,返回到主循环检查循环缓冲区内是否有新的数据。图5 PDIUSBD12固件编程结构图这部分程序结构可包括：1） 请求处理程序对 USB的标准设备请求进行处理和对用户添加的厂商请求进行处理;USB 设备接入主机后要进入复杂的设备列举过程,并安装正确的驱动程序。2）硬件提取层对单片机的 I/O口、数据总线等硬件接口进行操作,该层包含最底层的函数,这些函数在不同的 MCU 平台上需要进行改变,void outportb（unsigned char port,unsigned char val）;void inportb（unsigned char port）;对 PDIUSBD12 所有的 I/O 访问都可由它们实现;3）PDIUSBD12 命令接口对 PDIUSBD12器件进行操作的模块子程序集,以简化器件的编程;4）中断服务程序当 PDIUSBD12向单片机发出中断请求时，读取 PDIUSBD12的中断传输来的
