??? 摘 要： 提出一種使用USB接口實現(xiàn)CAN總線網(wǎng)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" title="固件">固件編程方法及USB驅動程序設計" title="程序設計">程序設計思路,。
??? 關鍵詞： USB? CAN總線?? 固件編程? 適配器
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??? 現(xiàn)場總線作為二十世紀80年代發(fā)展起來的新興技術,，在工業(yè)現(xiàn)場已有了廣泛的應用。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)點不僅大量應用于工業(yè)現(xiàn)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(fā)展,。
??? 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡技術的實現(xiàn)需要與計算機相結合,。以往CAN總線網(wǎng)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(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" title="外設">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(tǒng)資源、設計復雜,、需有高質量的驅動程序保證系統(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,；支持多設備連接；提供內置電源,。
??? 本文給出一種在Windows2000下使用USB1.1協(xié)議實現(xiàn)CAN總線適配器的設計方法,。整個設計主要開發(fā)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(xiàn)場CAN總線網(wǎng)絡的目的,。
1 適配器硬件接口設計
??? 適配器硬件電路由微控制器" title="微控制器">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。
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??? 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,，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(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)絡控制,，符合CAN2.0A和2.0B規(guī)范，最高速率可達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(fā)生時,引腳向微控制器發(fā)出中斷信號,。PDIUSBD12支持總線復用" title="復用">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(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)的時鐘設計帶來了便利,。圖1中微控制器在6時鐘運行模式下，外部為12MHz晶振,。P89C51RD2的P1.0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驅動程序設計兩部分,。
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(shù)據(jù)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(tǒng)的可擴展性和硬件無關性。
??? 固件要實現(xiàn)的內容：一是對SJA1000初始化,，接收CAN總線送來的數(shù)據(jù),，收集CAN網(wǎng)絡狀態(tài)信息，并將主機的數(shù)據(jù)下發(fā)到CAN網(wǎng)絡,；二是對PDIUSBD12初始化,，完成USB總線連接過程，并組織CAN網(wǎng)絡和主機之間的數(shù)據(jù)傳送,。設計中采用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，主程序對系統(tǒng)進行初始化后開放中斷,，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(shù)據(jù)緩沖區(qū)。主程序則循環(huán)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(shù)據(jù)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(xié)議實現(xiàn)
??? SJA1000支持BasicCAN和PeliCAN兩種協(xié)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,。
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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,。在適配器的設計中使用了控制傳輸、中斷傳輸和批量傳輸,?？刂苽鬏斨挥脕韨鬟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)絡狀態(tài)信息；批量傳輸用來實現(xiàn)主機和CAN網(wǎng)絡節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳送,，使用端點2,。圖3是PDIUSBD12中斷服務程序框圖。
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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(tǒng)通過全局唯一標識符GUID實現(xiàn)驅動程序的識別,。應用程序和WDM驅動程序通信時,，系統(tǒng)為每個用戶請求打包形成一個I/O請求包發(fā)送到驅動程序。
??? 圖4是Windows中USB的通信層次結構模型,。圖4系統(tǒng)軟件方塊中的底部是Windows系統(tǒng)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)和一個類驅動程序(USBD.SYS),。
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??? 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(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(fā)工具,。利用其中的向導DriverWorks一步步地作出選擇并修改少量參數(shù)，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(tǒng)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(tǒng)發(fā)現(xiàn)新硬件之后向系統(tǒng)指明應該安裝的驅動程序,、系統(tǒng)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(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)絡通信任務,。USB接口是計算機外設的發(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,，又逐漸向高速應用發(fā)展,。因此將現(xiàn)場總線網(wǎng)絡和計算機接口相連的適配器具有廣泛的應用前景。
參考文獻
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