基于ARM9的USB與多通道CAN轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

楊曄，曲波

（蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215021）

USB是電腦主流的外圍串行總線,是一種新型、快速、雙向、同步傳輸、并可以熱插拔的數(shù)據(jù)傳輸總線。CAN總線是擁有多主節(jié)點(diǎn)、開放式架構(gòu)、錯(cuò)誤檢測(cè)及自恢復(fù)能力等優(yōu)勢(shì)的一種總線。但一般工控機(jī)不具有CAN總線接口，需要專門的接口卡才能連接，并且專用接口卡成本較高，連接不便。而USB的即插即用特性可以解決了上述問題。目前性價(jià)比高的USB-CAN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器比較少見，而且能應(yīng)用的CAN通道數(shù)較少，一般只有1～2路。如要應(yīng)用于大型的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，CAN接口不夠用，而使用開發(fā)商提供的各種USB-CAN接口適配器，就會(huì)出現(xiàn)各參數(shù)及CAN總線的配置不統(tǒng)一的問題。為了解決了這個(gè)問題，本文提出了一種 USB與多通道CAN轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案。

本設(shè)計(jì)基于ARM9處理器和SJA1000 CAN控制器，能較好地以低成本實(shí)現(xiàn)USB與CAN之間的傳輸。此轉(zhuǎn)換器可以作為“測(cè)試工具”應(yīng)用于汽車電子，也可以作為“工業(yè)控制設(shè)備”應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)。

1 模塊結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將具有遠(yuǎn)距離傳輸能力的CAN總線與即插即用的USB接口相結(jié)合,即利用USB接口方便的特性來實(shí)現(xiàn)CAN總線和主機(jī)的連接。并且擴(kuò)展了8路通道的CAN總線，高效地?cái)U(kuò)大了CAN總線的應(yīng)用范圍。USB-CAN轉(zhuǎn)換器的總體框圖如圖1所示。

圖中，RS232串口用于系統(tǒng)的調(diào)試，RJ45接口用于調(diào)試同時(shí)也作為將來系統(tǒng)的擴(kuò)展使用。本設(shè)計(jì)自帶8路CAN接口和2路LIN接口,實(shí)現(xiàn)USB與 CAN總線的數(shù)據(jù)雙向傳輸。

圖1 接口模塊總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 ARM處理器和USB接口的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的核心處理器是ARM9系列的S3C2440?？紤]到三星S3C2440是BGA封裝，需要特殊的焊接工藝，所以本設(shè)計(jì)采用核心板+底板的形式。核心板的外部存儲(chǔ)器配置是64 MB SDRAM和64 MB NAND Flash。

更重要的是，S3C2440內(nèi)置了USB控制器,無需再外擴(kuò)USB控制器，節(jié)省了成本。其內(nèi)置USB控制器完全兼容USB1.1協(xié)議，支持全速設(shè)備;集成USB收發(fā)器，支持Control、Interrupt和Bulk 3種傳輸模式;具備5個(gè)FIFO的通信端點(diǎn),其中Bulk端點(diǎn)支持DMA操作方式，接收和發(fā)送均由64 B的FIFO完成；支持掛起和遠(yuǎn)程喚醒功能。

在USB接口設(shè)計(jì)上，為了避免由于外部設(shè)備或電纜中介入高電壓干擾，造成計(jì)算機(jī)USB接口甚至主板的燒壞,本設(shè)計(jì)還考慮了USB接口的隔離保護(hù)，并選用SN65220芯片作為接口的保護(hù)芯片,其電路如圖2所示。

圖2 USB接口原理圖

圖中，USB_SELECT是微處理器用來控制USB設(shè)備與主機(jī)連接的信號(hào)。當(dāng)主機(jī)集線器檢測(cè)新設(shè)備時(shí),集線器監(jiān)視著每個(gè)USB設(shè)備端口的信號(hào)電壓,集線器端口的2根信號(hào)線的每1根都有15 kΩ的下拉電阻，而每一個(gè)設(shè)備在 DP1(即 D+)都有1個(gè)1.5 kΩ的上拉電阻。當(dāng)用USB線將PC和USB設(shè)備接通后,設(shè)備的上拉電阻使信號(hào)線的電位升高,因此主機(jī)集線器可以檢測(cè)到USB設(shè)備[1]。本設(shè)計(jì)使用 USB_SELECT來控制 1.5 kΩ的上拉電阻，當(dāng)處理器給USB_SELECT 1個(gè)高電平時(shí),這時(shí)DP1信號(hào)線上的電壓升高,主機(jī)集線器就會(huì)檢測(cè)到此USB設(shè)備，然后開始USB的設(shè)備枚舉；當(dāng)USB_SELECT為低電平時(shí),則表示沒有設(shè)備連接到主機(jī)。這樣就可以通過USB_SELECT信號(hào)的高低來控制設(shè)備與主機(jī)的連接。

2.2 CAN節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

CAN節(jié)點(diǎn)使用Philips公司的獨(dú)立CAN總線控制器SJA1000,收發(fā)器采用高速的TJA1050，它增強(qiáng)了電磁兼容(EMC)，且在不上電的時(shí)候使總線呈現(xiàn)無源特性。CAN單元模塊負(fù)責(zé)CAN信息幀的收發(fā)和CAN協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，接口管理邏輯負(fù)責(zé)同外部主控制器的接口，該單元的每1個(gè)寄存器都可以由主控制器通過SJA1000的地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線訪問。

SJA1000提供的微處理器的接口信號(hào)主要有AD0～AD7共 8根地址數(shù)據(jù)復(fù)用線， 以及 ALE、CS、RD、WR、MODE、RESET和 INT信號(hào)。其中，MODE為接口方式選擇信號(hào)，本設(shè)計(jì)將 MODE接VCC高電平，選用Intel模式。接口電路如圖3所示。

RESET復(fù)位信號(hào)由主控制器S3C2440統(tǒng)一控制，振蕩信號(hào)CLK由1個(gè)16 MHz的晶振統(tǒng)一提供。另外，ALE、CS、RD、WR和 INT信號(hào)需要經(jīng)過 CPLD接口邏輯轉(zhuǎn)換后才能與SJA1000連接。當(dāng)芯片被片選信號(hào)CS選中后，地址信號(hào)首先出現(xiàn)在復(fù)用總線上,經(jīng)ALE信號(hào)鎖存后才可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作[2]。

由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是8通道CAN的轉(zhuǎn)換器，所以共有8個(gè)CAN單元并列組成CAN通信模塊。其8通道的數(shù)據(jù)地址總線擴(kuò)展的主要思想是把每個(gè)SJA1000（CAN控制器）的寄存器映射到ARM9內(nèi)存地址空間的某個(gè)地址，通過內(nèi)存訪問指令，訪問SJA1000的內(nèi)部寄存器。

2.3 復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的設(shè)計(jì)

由于微處理器S3C2440的地址與數(shù)據(jù)總線是分離的，而SJA1000的數(shù)據(jù)與地址線是分時(shí)復(fù)用的，兩者總線接口之間存在差異性,因此必須對(duì)S3C2440的讀寫時(shí)序進(jìn)行邏輯變換，使其滿足SJA1000的接口要求才能使二者配合工作。

圖3 CAN節(jié)點(diǎn)原理圖

本模塊選用了Altera公司的MAX3000系列可編程邏輯器件EPM3128芯片。EPM3128具有128個(gè)宏單元，80個(gè)用戶I/O管腳，2 500個(gè)可用門和ISP，管腳間延遲為 10 ns，計(jì)數(shù)器速度可高達(dá) 100 MHz，可以很好地滿足系統(tǒng)的需要。

在本設(shè)計(jì)中,CPLD需要完成2個(gè)功能:(1)完成S3C2440的地址數(shù)據(jù)非復(fù)用總線到SJA1000的地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線的雙向轉(zhuǎn)換;(2)通過對(duì)S3C2440的地址線譯碼，進(jìn)行多通道擴(kuò)展（本設(shè)計(jì)擴(kuò)展為8通道）。

通過對(duì)S3C2440與SJA1000讀寫時(shí)序的分析，可用如下的邏輯關(guān)系來完成2種不同總線的轉(zhuǎn)換：

其中,ALE、CS、WR、RD 是 SJA1000的總線控制信號(hào),nGCS2、nWE、nOE、A0為 S 3C2440的總線控制與地址信號(hào)。根據(jù)以上的邏輯關(guān)系，利用QuartusII的原理圖輸入方式，可以得到如圖4所示的單通道的硬件圖。

8通道的擴(kuò)展，則利用更多的地址線編碼，再通過CPLD譯碼即可實(shí)現(xiàn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

USB-CAN轉(zhuǎn)換器的工作方案如下[3-4]：

(1)下行傳輸：上位機(jī)輸出數(shù)據(jù)發(fā)送到USB設(shè)備。上位機(jī)可以在任意時(shí)間按照協(xié)議要求把數(shù)據(jù)發(fā)送到USB設(shè)備的緩沖區(qū)，USB設(shè)備盡快把緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線。

(2)上行傳輸：USB緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)輸入到上位機(jī)。首先，USB設(shè)備通過查詢方式不斷檢查CAN總線是否有輸入的數(shù)據(jù)，若有數(shù)據(jù)存入CAN緩沖區(qū)，上位機(jī)輸出“讀CAN總線請(qǐng)求”到USB設(shè)備，USB設(shè)備再根據(jù)請(qǐng)求的內(nèi)容確定是否獲取到需要的數(shù)據(jù)，將獲取到的數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)SB設(shè)備的發(fā)送緩沖區(qū)；若沒有數(shù)據(jù)存入CAN緩沖區(qū)，則按照協(xié)議的格式，回應(yīng)“沒有收到數(shù)據(jù)”。

3.2 CAN節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

CAN總線節(jié)點(diǎn)的通信程序主要包括3個(gè)部分:CAN初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收。初始化程序主要是對(duì)SJA1000的初始化設(shè)置，包括：工作方式的設(shè)置、接收濾波方式的設(shè)置、接收屏蔽寄存器和驗(yàn)收代碼寄存器的設(shè)置、波特率的設(shè)置和中斷允許寄存器的設(shè)置。SJA1000的初始化工作要在復(fù)位模式下才能進(jìn)行。初始化設(shè)置后就可以回到工作狀態(tài)，進(jìn)行正常的通信任務(wù)。CAN控制器的初始化是CAN總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中極為重要的一個(gè)部分，是系統(tǒng)正常工作的前提[5]。初始化過程如圖5所示。CAN控制器從上電到正常工作，一般需要經(jīng)過硬件和軟件的配置。軟件的初始化函數(shù)為：

int SJA1000_Init(struct CanConfig&config,unsigned char channel);

參數(shù)說明：struct CanConfig是 SJA1000配置信息的結(jié)構(gòu)體；channel是通道選擇,如果成功則返回 0，如果不成功，則返回不為0。

圖5 SJA1000初始化流程圖

對(duì)于數(shù)據(jù)的發(fā)送程序，發(fā)送時(shí)用戶只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合成1幀報(bào)文，送入SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)中，然后啟動(dòng)SJA1000發(fā)送即可。每幀發(fā)送之后，可以通過發(fā)送中對(duì)安置軟件發(fā)送成功標(biāo)志，發(fā)送程序通過對(duì)成功標(biāo)志的查詢來進(jìn)行相應(yīng)的處理。其實(shí)現(xiàn)函數(shù)如下：

void SJA1000_Write (structCanFrame&frame,unsigned char channel)；

參數(shù)說明:struct CanFrame結(jié)構(gòu)體是CAN的幀格式，channel是通道選擇。

接收程序要比發(fā)送程序復(fù)雜，采用中斷接收方式,這樣可以更有效地接收數(shù)據(jù)。通過讀取SJA1000中斷狀態(tài)寄存器進(jìn)行接收及出錯(cuò)處理。其中斷函數(shù)如下：

void__irq SJA1000_ReadData(void)。

CAN總線是一種比較成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線，目前被廣泛應(yīng)用于汽車電子和工業(yè)控制。而USB總線是PC機(jī)廣泛采用的接口設(shè)備。多通道的USB-CAN轉(zhuǎn)換器可以在大型的CAN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中提供一個(gè)方便的USB接口，大大簡化了現(xiàn)場(chǎng)總線與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。因此本設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的實(shí)用性，具有良好的應(yīng)用前景。

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[3]王黎明.CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008:103-127.

[4]林新兵.基于嵌入式系統(tǒng)的USB-CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].中國海洋大學(xué)，2006:32-35.

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