現(xiàn)場(chǎng)總線作為二十世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)已有了廣泛的應(yīng)用。在比較有影響力的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線中，CAN總線以其突出的優(yōu)點(diǎn)不僅大量應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，而且在樓宇自動(dòng)化、智能終端設(shè)備等民用領(lǐng)域也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。

現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要與計(jì)算機(jī)相結(jié)合。以往CAN總線網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)的連接采用RS232、ISA或PCI接口。但是隨著計(jì)算機(jī)接口技術(shù)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(shè)與計(jì)算機(jī)接口的主要渠道，但其主要缺點(diǎn)是占用有限的系統(tǒng)資源、設(shè)計(jì)復(fù)雜、需有高質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)程序保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，且無(wú)法用于便攜式計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展。隨著USB1.1、USB2.0規(guī)范的相繼制定，為外設(shè)與計(jì)算機(jī)的接口提出了新的發(fā)展方向。USB的主要特點(diǎn)有：外設(shè)安裝簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)熱插撥；通訊速率高，USB1.1全速傳送速率為12Mbps，與標(biāo)準(zhǔn)串行端口相比，大約快100倍；支持多設(shè)備連接；提供內(nèi)置電源。

本文給出一種在Windows2000下使用USB1.1協(xié)議實(shí)現(xiàn)CAN總線適配器的設(shè)計(jì)方法。整個(gè)設(shè)計(jì)主要開(kāi)發(fā)適配器的固件及計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序，以達(dá)到用USB接口連接現(xiàn)場(chǎng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)的目的。

1、 適配器硬件接口設(shè)計(jì)

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(chǎn)的增強(qiáng)型MCS-51兼容單片機(jī)，片內(nèi)集成64KB閃存和1KB擴(kuò)展RAM，雙數(shù)據(jù)指針，4級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，7個(gè)中斷

內(nèi)置看門狗，可編程時(shí)鐘輸出，在6時(shí)鐘模式下工作，速度是標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)的兩倍。此時(shí)外部最高頻率可達(dá)20MHz。在高速、大程序容量、中小規(guī)模數(shù)據(jù)處理場(chǎng)合是一款非常理想的單片機(jī)型。

CAN總線接口使用Philips公司的獨(dú)立CAN總線控制器SJA1000，并由光耦6N136進(jìn)行總線隔離。SJA1000是一種獨(dú)立控制器，用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制，符合CAN2.0A和2.0B規(guī)范，最高速率可在達(dá)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(hào)電平通過(guò)器件SoftConnect命令內(nèi)部上拉，從而向主機(jī)表示為一個(gè)全速設(shè)備。EOT引腳自動(dòng)檢測(cè)USB接口的VBUS電壓以確定USB電纜是否連接到了主機(jī)。SUSPEND是雙向引腳，用以向微控制器指示器件是否掛起。當(dāng)有USB總線事件發(fā)生時(shí)，引腳向微控制器發(fā)出中斷信號(hào)。PDIUSBD12支持總線復(fù)用和非復(fù)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(fù)用方式，當(dāng)用奇數(shù)地址訪問(wèn)PDIUSBD12時(shí)被認(rèn)為是命令，偶數(shù)地址訪問(wèn)則被認(rèn)為是數(shù)據(jù)讀寫。

各器件都需要外部時(shí)鐘信號(hào)，而且它們自身也都有可編程的時(shí)鐘輸出功能，這就給系統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)計(jì)帶來(lái)了便利。圖1中微控制器6時(shí)鐘運(yùn)行模式下，外部為12MHz晶振。P89C51RD2的P1.1引腳產(chǎn)生6MHz方波作為PDIUSBD12的輸入時(shí)鐘；通過(guò)PDIUSBD12的SetMode寄存器編程使CLKOUT輸出時(shí)鐘頻率為24MHz，作為SJA1000的外部輸入時(shí)鐘。

2 、軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括微控制器的固件設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)端USB驅(qū)動(dòng)程序兩部分。

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(shè)備程序設(shè)計(jì)的一個(gè)重要概念。微控制器通過(guò)固件是程序與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。固件設(shè)計(jì)的目的是：使PDIUSBD12在USB上達(dá)到最大的傳輸速率；增加系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和硬件無(wú)關(guān)性。

固件要實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容：一是對(duì)SJA1000初始化，接收CAN總線送來(lái)的數(shù)據(jù)，收集CAN網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，并將主機(jī)的數(shù)據(jù)下發(fā)到CAN網(wǎng)絡(luò)；二是對(duì)PDIUSBD12初始化，完成USB總線連接過(guò)程，并組織CAN網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送。設(shè)計(jì)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(jī)

微控制器可以通過(guò)讀它們的中斷寄存器獲得總線事件。為了提高固件的運(yùn)行效率，主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)始化后開(kāi)放中斷，在中斷服務(wù)程序中對(duì)事件進(jìn)行分析和必要的處理，并設(shè)置相應(yīng)的變量標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。主程序則循環(huán)查詢變量標(biāo)志，調(diào)用相應(yīng)的子程序進(jìn)行處理。這種程序結(jié)構(gòu)使得主程序能夠在前臺(tái)處理各種數(shù)據(jù)傳送任務(wù)，同時(shí)又可以通過(guò)中斷在后臺(tái)及時(shí)處理總線事件。

2.1.1 CAN協(xié)議實(shí)現(xiàn)

SJA1000支持BasicCAN和PeliCAN兩種協(xié)議模式。在適配器設(shè)計(jì)中采用了BasicCAN模式。中斷設(shè)為電平中斷方式，SJA1000中斷服務(wù)程序框圖如圖2所示。

2.1.2 USB1.1協(xié)議實(shí)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(shè)計(jì)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(lái)傳遞控制信息，固定使用端點(diǎn)0；中斷傳輸使用端點(diǎn)1，用來(lái)傳送CAN網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息；批量傳輸用來(lái)實(shí)現(xiàn)主機(jī)和CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳送，使用端點(diǎn)2。

2.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

USB驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆赪DM（Windows driver module）類型。WDM驅(qū)動(dòng)程序是分層的，引入了FDO（Function Device Object）和PDO（Physical Device Object）兩個(gè)新類來(lái)描述硬件，每一個(gè)物理硬件有一個(gè)PDO，但是可以有多個(gè)FDO，在驅(qū)動(dòng)程序中直接操作的是PDO和FDO。系統(tǒng)通過(guò)全局唯一標(biāo)識(shí)符GUID實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的識(shí)別。應(yīng)用程序和WDM驅(qū)動(dòng)程序通信時(shí)，系統(tǒng)為每個(gè)用戶請(qǐng)求打包形成一個(gè)I/O請(qǐng)求包發(fā)送到驅(qū)動(dòng)程序。

圖3是Windows中USB的通信層次結(jié)構(gòu)模型。圖4系統(tǒng)軟件方塊中的底部是Windows系統(tǒng)提供的驅(qū)動(dòng)程序，包括主控制器驅(qū)動(dòng)程序（OPENHCI.SYS或者UHCD.SYS）、HUB驅(qū)動(dòng)程序（USBHUB.SYS）是一個(gè)類驅(qū)動(dòng)程序（USBD.SYS）。

Windows2000下驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)工具是VC++和Win2000DDK，但是直接使用DDK編程有相當(dāng)大的難度。目前有第三方軟件廠商提供了一些驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)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(jìn)行了新的封裝，提供了驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)向?qū)А?/p>

適配器設(shè)計(jì)中采用了DriverStudio作為驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具。利用其中的DriverWorks一步步地作出選擇并修改少量參數(shù)，即可生成驅(qū)動(dòng)程序框架和測(cè)試臺(tái)應(yīng)用程序框架，對(duì)USB設(shè)備的通用性部分支持得很好。在程序框架，對(duì)USB設(shè)備的通用性部分支持得很好。在VC++中對(duì)向?qū)傻拇a作修改，并對(duì)設(shè)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(gè)完整的驅(qū)動(dòng)程序。SoftIce是DriverStudio的另一個(gè)調(diào)試工具，可以對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行操作系統(tǒng)內(nèi)核級(jí)的跟蹤與調(diào)試。

生成驅(qū)動(dòng)程序后，編寫相應(yīng)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(yīng)該安裝的驅(qū)動(dòng)程序、系統(tǒng)向設(shè)備提供的服務(wù)以及注冊(cè)表項(xiàng)要修改的內(nèi)容。

基于USB接口的CAN總線適配器經(jīng)過(guò)試驗(yàn)運(yùn)行證明：在中小規(guī)模和短時(shí)大數(shù)據(jù)塊傳送時(shí)，能夠很好地完成網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)。USB接口是計(jì)算機(jī)外設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)，目前主要用在中低速場(chǎng)合。隨著USB2.0規(guī)范的推出，又逐漸向高速應(yīng)用發(fā)展。因此將現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)接口相連的適配器具有廣泛的應(yīng)用前景。

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