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基于USB的CAN總線適配器設計
摘要：提出一種使用USB接口實現CAN總線網絡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驅動程序設計思路。關鍵詞：USB CAN總線 固件編程 適配器
現場總線作為二十世紀80年代發展起來的新興技術，在工業現場已有了廣泛的應用。在比較有影響力的幾種現場總線中，CAN總線以其突出的優點不僅大量應用于工業現場，而且在樓宇自動化、智能終端設備等民用領域也有了長足的發展。
現場總線網絡技術的實現需要與計算機相結合。以往CAN總線網絡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的發展，ISA接口已經逐漸被淘汰；RS232接口數據傳輸率太低；PCI雖然仍是高速外設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資源、設計復雜、需有高質量的驅動程序保證系統的穩定，且無法用于便攜式計算機的擴展。隨著USB1.1、USB2.0規范的相繼制定，為外設與計算機的接口提出了新的發展方向。USB的主要特點有：外設安裝簡單，可實現熱插撥；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；支持多設備連接；提供內置電源。
本文給出一種在Windows2000下使用USB1.1協議實現CAN總線適配器的設計方法。整個設計主要開發適配器的固件及計算機的驅動程序、應用程序，以達到用USB接口連接現場CAN總線網絡的目的。
圖1
1 適配器硬件接口設計
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公司生產的增強型MCS-51兼容單片機，片內集成64KB閃存和1KB擴展RAM，雙數據指針，4級中斷優先級，7個中斷源，(范文先生網www.baimashangsha.com收集整理)內置看門狗，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、中小規模數據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環境中的區域網絡控制，符合CAN2.0A和2.0B規范，最高速率可在達1Mbps。CAN總線收發器采用PCA82C250。
PDIUSBD12是Philips公司推出的全速USB接口器件，完全兼容USB1.1規范。圖1中D+引腳信號電平通過器件SoftConnect命令內部上拉，從而向主機表示為一個全速設備。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總線事件發生時，引腳向微控制器發出中斷信號。PDIUSBD12支持總線復用和非復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中采用總線復用方式，當用奇數地址訪問PDIUSBD12時被認為是命令，偶數地址訪問則被認為是數據讀寫。
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，這就給系統的時鐘設計帶來了便利。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 軟件設計
軟件設計包括微控制器的固件設計和計算機端USB驅動程序兩部分。
2.1 微控制器固件編程
固件編程是USB數據傳輸系統中終端設備程序設計的一個重要概念。微控制器通過固件是程序與計算機進行數據交換。固件設計的目的是：使PDIUSBD12在USB上達到最大的傳輸速率；增加系統的可擴展性和硬件無關性。
固件要實現的內容：一是對SJA1000初始化，接收CAN總線送來的數據，收集CAN網絡狀態信息，并將主機的數據下發到CAN網絡；二是對PDIUSBD12初始化，完成USB總線連接過程，并組織CAN網絡和主機之間的數據傳送。設計中采用KeilC51軟件編譯環境，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，主程序對系統進行實始化后開放中斷，在中斷服務程序中對事件進行分析和必要的處理，并設置相應的變量標志和數據緩沖區。主程序則循
環查詢變量標志，調用相應的子程序進行處理。這種程序結構使得主程序能夠在前臺處理各種數據傳送任務，同時又可以通過中斷在后臺及時處理總線事件。
2.1.1 CAN協議實現
SJA1000支持BasicCAN和PeliCAN兩種協議模式。在適配器設計中采用了BasicCAN模式。中斷設為電平中斷方式，SJA1000中斷服務程序框圖如圖2所示。
2.1.2 USB1.1協議實現
PDIUSBD12支持所有的四種USB數據傳輸方式。在適配器的設計中使用了控制傳輸、中斷傳輸和批量傳輸。控制傳輸中只用來傳遞控制信息，固定使用端點0；中斷傳輸使用端點1，用來傳送CAN網絡狀態信息；批量傳輸用來實現主機和CAN網絡節點之間的數據傳送，使用端點2。圖3是PDIUSBD12中斷服務程序框圖。
2.2 驅動程序設計
USB驅動程序屬于WDM(Windows driver module)類型。WDM驅動程序是分層的，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，在驅動程序中直接操作的是PDO和FDO。系統通過全局唯一標識符GUID實現驅動程序的識別。應用程序和WDM驅動程序通信時，系統為每個用戶請求打包形成一個I/O請求包發送到驅動程序。
圖4是Windows中USB的通信層次結構模型。圖4系統軟件方塊中的底部是Windows系統提供的驅動程序，包括主控制器驅動程序（OPENHCI.SYS或者UHCD.SYS）、HUB驅動程序（USBHUB.SYS）是一個類驅動程序（USBD.SYS）。
Windows2000下驅動程序的設計工具是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動程序開發工具，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，提供了驅動程序設計向導。
適配器設計中采用了DriverStudio作為驅動程序開發工具。利用其中的DriverWorks一步步地作出選擇并修改少量參數，即可生成驅動程序框架和測試臺應用程序框架，對USB設備的通用性部分支持得很好。在程序框架，對USB設備的通用性部分支持得很好。在VC++中對向導生成的代碼作修改，并對設備特殊功能部分添加處理代碼，然后用VC++編譯為*.SYS文件，就是一個完整的驅動程序。SoftIce是DriverStudio的另一個調試工具，可以對驅動程序進行操作系統內核級的跟蹤與調試。
生成驅動程序后，編寫相應的INF文件是重要的一步。INF文件在操作系統發現新硬件之后向系統指明應該安裝的驅動程序、系統向設備提供的服務以及注冊表項要修改的內容。
基于USB接口的CAN總線適配器經過試驗運行證明：在中小規模和短時大數據塊傳送時，能夠很好地完成網絡通信任務。USB接口是計算機外設的發展趨勢，目前主要用在中低速場合。隨著USB2.0規范的推出，又逐漸向高速應用發展。因此將現場總線網絡和計算機接口相連的適配器具有廣泛的應用前景。
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