摘要：本文介紹了一種基于新型USB接口芯片CH372的CAN總線網絡適配器系統的設計，提出了一種使用USB接口實現CAN總線網絡與計算機連接的方案。利用芯片CH372可在不了解任何USB協議或固件程序甚至驅動程序的情況下，輕松地將并口或串口產品升級到USB接口。該系統在工業現場較之以往的系統，可以更加靈活、高速、高效地完成大量數據交換，并可應用于多種控制系統之中，具有很大的應用價值。 引言 現場總線網絡技術的實現需要與計算機相結合。目前，在微機上擴展CAN總線接口設備一般采用PCI總線或者RS-232總線。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、擴展槽地址；中斷資源有限；并且插拔不方便；價格較貴；而且設計復雜、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；RS-232雖然插拔方便，但是傳輸速率太慢。 本文的設計思想是通過使用USB接口芯片CH372，將計算機與CAN網絡控制節點參數相互準確快速地傳輸。CH372是一種USB總線通用接口芯片，在計算機系統中，通過CH372的配套軟件可提供簡潔易用的操作接口，從而使其與本地端的單片機通訊就如同讀寫硬盤中的文件一樣簡單，由于CH372屏蔽了USB通訊中的所有協議，因而可在計算機應用層與本地端控制器之間提供端對端的連接，在不需要了解任何USB協議或者固件程序甚至驅動程序的情況下，就可輕松地將并口、串口產品升級到USB接口。 CAN適配器用于完成USB總線和CAN總線之間的數據交換。使用MCU統籌安排數據在USB總線和CAN總線之間的數據交換。以MCU為界可以將硬件分為兩部分：一是MCU和USB總線交換數據；二是MCU控制CAN控制器，完成CAN數據包到CAN總線位序列協議解釋，該系統結構如圖1所示。 硬件設計 USB接口電路在微控制器和USB接口的選擇上有兩種方式：一種是采用具備USB通訊功能的微處理器。隨著USB應用的日益廣泛，Intel、Cypress、Philips等芯片廠商都推出了具有USB通信接口的微處理器，如8X930A、8X931A、EZ-USB等。由于這些微處理器具有USB接口，它們與過去的開發系統不兼容，需要購買新的開發系統，投資較高。另一種是采用普通微處理器加上專用的USB通信芯片。 現在的專用芯片中較流行的有USBN9602、SL11、PDIUSBD12等。但是，USB接口的開發一般要求設計人員對USB的標準、Firmware編程及驅動程序編寫等有較深入的理解，因此限制了一般的硬件工程師對USB接口產品的開發使用。本系統中使用了USB接口芯片CH372，使用非常簡單，開發人員只要熟悉單片機的編程及簡單的VB或者VC應用程序編程，在較短的時間內就可開發出相應的USB產品。 CH372是一個USB總線的通用設備接口芯片，遵守USB1.1協議。在本地端，CH372具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機、DSP等控制器的系統總線上；在計算機系統中，CH372的配套軟件提供了簡潔易用的操作接口，與本地端的單片機通信就如同讀寫硬盤中的文件。CH372內置了USB通訊中的底層協議，具有內置固件模式和外置固件模式。在內置固件模式下CH372屏蔽了USB通信中的所有協議，在計算機應用層與本地端控制器之間提供端對端的連接。使用CH372，不需要了解任何USB協議或者固件程序，甚至驅動程序，就可以輕松地將并口、串口的產品升級到USB接口。 CH372芯片的RD和WR可以分別連接到單片機的讀選通輸出引腳和寫選通輸出引腳。CS由地址譯碼電路驅動，用于當單片機具有多個外圍器件時進行設備選擇。INT可以連接到單片機的中斷輸入引腳，中斷請求是低電平有效。當CS和RD以及A0都為低電平時，CH372中的數據通過D7～D0輸出；當CS和WR以及A0都為低電平時，D7～D0上的數據被寫入CH372芯片中；當CS和WR都為低電平而A1為高電平時，D7～D0上的數據被作為命令碼寫入CH372芯片中。CH372芯片的UD+和UD-引腳應該直接連接到USB總線上。如果為了芯片安全而串接保險電阻或者電感，那么交直流等效串聯電阻應該在5Ω之內。CH372芯片內置了電源上電復位電路，一般情況下，不需要外部提供復位。CH372芯片正常工作時需要外部為其提供12MHz的時鐘信號。一般情況下，時鐘信號由CH372內置的反相器通過晶體穩頻振蕩產生。外圍電路只需要在X1和X0引腳之間連接一個標稱頻率為12MHz的晶體，并且分別為X1和X0引腳對地連接一個容量為30pF的高頻振蕩電容。CH372芯片支持5V電源電壓或者3.3V電源電壓。當使用5V工作電壓時，CH372芯片的VCC引腳輸入外部5V電源，并且，V3引腳應該外接容量為0.1μF左右的電源退耦電容。當使用3.3V工作電壓時，CH372芯片的V3引腳應該與VCC引腳相連接，同時輸入外部的3.3V電源，并且與CH372芯片相連接的其它電路的工作電壓不能超過3.3V。接口電路如圖2所示。 CAN總線接口電路這部分由CAN控制器、CAN接口芯片和光耦組成。CAN控制器完成CAN通訊協議的所有要求，CAN接口芯片是CAN控制器和物理總線間的接口，并經由光耦將數據發往CAN總線，接口電路圖如圖3所示。 CAN總線控制器采用Philips公司的SJA1000，并輔以該公司的PCA82C250接口驅動器，通過光電隔離器件6N137實現了總線與控制器的隔離。SJA1000是一款獨立的控制器，用于汽車和一般工業環境中，從軟件的角度來看，對SJA1000的操作通過單片機的訪問外部存儲器指令來完成，所以，SJA1000可以被視為一種擴展RAM，SJA1000具有標準模式和Peli模式兩種應用模式。標準模式符合CAN2.0A協議標準，接收緩沖器有64個字節；Peli模式符合2.0B標準，能處理擴展數據格式，具有仲裁丟失捕獲、代碼讀取等功能。 PCA82C250是CAN控制器和物理總線之間的接口，它具有限定的電流值以保護接收器輸出級，避免陽極和陰極的短路，以防止輸出級的損壞，PCA82C250CAN接口控制器提供了總線驅動發送和接收能力，高速可達1Mbps，具有較強的抗干擾能力。 為了增強系統抗干擾能力，在SJA1000和CAN總線收發器82C250之間使用兩個高速光電隔離器件6N137實現總線和控制器的隔離，以避免干擾，提高工作可靠性。CAN控制器可以選擇從RX0、TX0或RX1、TX1接收和發送數據，當使用RX0、TX0工作時，須將RX1接到一個穩定的電平上。高速光耦6N137的最高速度可達10Mbps，利用它可以在隔離的狀態下保證系統的高速可靠。 軟件設計 本設計中采用的微控制器為P89C51RD2，它是采用先進的CMOS工藝的單片8位微處理器。工作在6時鐘模式時，速度是標準51單片機的兩倍，此時最高外部晶振可達20MHz。此外，該機型支持ISP編程和IAP編程。軟件主程序的流程圖如圖4所示。 首先進行MCU、SJA1000和USB的初始化，初始化后系統處于循環等待狀態，若有中斷產生，就進入相應的中斷服務程序，如果CAN總線有數據上傳，則轉入CAN中斷服務程序，由微處理器從SJA1000緩沖區接收數據，寫入微處理器的數據緩沖區，并置標志返回，如果上位機有數據下傳，則轉入USB中斷服務程序（下位機中斷服務程序流程如圖5所示），微處理器從USB緩沖區中讀取數據，存入緩沖區，并置標志返回，接收數據是將數據從緩沖區讀出發送到USB總線，通過USB總線傳送到上位機（下位機數據上傳子程序流程簡圖如圖6所示），發送數據是將數據從緩沖區讀出寫入SJA1000的緩沖區，由CAN節點讀取，這種處理可以使微處理器在執行完相應的中斷程序后只需讀取緩沖區，然后執行相應的接收或發送程序即可完成上位機和下位機的數據交換。對于計算機應用層的程序，在計算機上裝載WINCHIPHEAD提供的CH372的通用驅動程序后，不必再考慮USB通信協議、固件程序、驅動程序、自動配置過程和底層數據傳輸過程。只需要根據提供的動態連接庫的接口函數，用VB或VC編制自己的應用程序即可。 結束語 綜上所述，本系統為計算機與CAN總線之間的直接通信提供了一種有效的方法，適應網絡和接口技術的發展，探索現場總線網絡和計算機接口的新方法，是很有實踐意義的。