據(jù)《硅谷》雜志2012年第17期刊文稱，提出一種USB總線轉(zhuǎn)CAN總線步進(jìn)的接口方案。其中主要論述其硬件電路、軟件編寫及驅(qū)動(dòng)軟件。該方案選用單片機(jī)加獨(dú)立CAN總線控制器的模式實(shí)現(xiàn)不同總線間的數(shù)據(jù)通訊，此方案在電路小型化和電路可靠性等方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)USB接口與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的CAN總線步進(jìn)網(wǎng)絡(luò)相互通信，拓展CAN總線應(yīng)用范圍，具有一定的市場(chǎng)前景。

　　1.緒論

　　在當(dāng)今時(shí)代，信息技術(shù)飛速發(fā)展，各類信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、智能終端等自動(dòng)化裝置在產(chǎn)品和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的大規(guī)模應(yīng)用，如何解決數(shù)據(jù)向上位機(jī)的傳輸以及自動(dòng)化裝置之間數(shù)據(jù)的高速、可靠、及時(shí)的傳輸成為一個(gè)值得不斷深入研究的問題?，F(xiàn)場(chǎng)總線正式在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生的。CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(ControllerAreaNetwork，CAN)的簡(jiǎn)稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)。是目前國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

　　隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中最具活力的一個(gè)分支，并取得了巨大進(jìn)步。典型的分散式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、接口與計(jì)算設(shè)備以及通信設(shè)備組成?，F(xiàn)場(chǎng)總線(FIELDBUS)能同時(shí)滿足過程控制和制造業(yè)自動(dòng)化的需要，因而現(xiàn)場(chǎng)總線已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域中最為活躍的一個(gè)領(lǐng)域。現(xiàn)場(chǎng)總線的研究與應(yīng)用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域的熱點(diǎn)。盡管目前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的研究尚未能提出一個(gè)完善的標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)場(chǎng)總線的高性能價(jià)格必將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。同時(shí)，正由于現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，也使得現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現(xiàn)場(chǎng)總線的完善提供更加豐富的依據(jù)。它是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng)，由于其高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門?？刂破骶钟蚓W(wǎng)將在中國迅速普及推廣。

　　2.主控單片機(jī)方案

　　本設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的USB轉(zhuǎn)CANBUS接口適配器?？梢詽M足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間高速、可靠、穩(wěn)定的通訊。本方案由主要由MCU及USB控制模塊、CAN模塊組成。從裝置微、小型化和電路可靠性方面考慮，選擇帶有USB功能的MCU，然后可以直接構(gòu)成與上位機(jī)通訊的物理層的連接。目前市面上常見的帶有USB模塊的MCU芯片有SiliconLaboratories公司的C8051F家族中的C8051F3X系列，CYPRESS公司的EZ-USBFX2系列芯片中的CY7C6系列和CY8C24X94，還有Microchips公司的PIC18F14K50、PIC16C765等。CAN控制器有NXP公司的SJA1000，Microchip的MCP2515，Philips公司的PCA82C200。CAN收發(fā)器方面有通用型收發(fā)器CTM8251，PCA82C250/251，高速CAN收發(fā)器TJA1040/1050，高速CAN收發(fā)器TJA1041，容錯(cuò)CAN收發(fā)器TJA1054，單線CAN收發(fā)器AU5790。

　　從MCU的處理能力、內(nèi)部硬件資源、芯片面積、外圍電路、主芯片價(jià)格等多方面綜合考慮，本案主控制器采用SiliconC8051F340全速USBFLASH微控制內(nèi)核。CAN的節(jié)點(diǎn)模塊，選用CAN獨(dú)立控制器+集成CAN收發(fā)器方案，CAN獨(dú)立控制器為SJA1000。CAN節(jié)點(diǎn)集成收發(fā)器選用CTM8251A芯片，該芯片內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件。硬件電路主要包括了有MCU與USB控制模塊、CAN節(jié)點(diǎn)模塊、電源支持電路及其它電路幾部分。

　　3.軟件關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)的樣品電路板如圖1所示，其正常工作的軟件整體結(jié)構(gòu)主要包括：1)F340I/O口模擬SJA1000的Intel模式讀寫時(shí)序;2)CANBUS編程設(shè)計(jì);3)USBBUS軟件設(shè)計(jì)三部分。整個(gè)的過程中，上位機(jī)發(fā)送信息時(shí)，MCU通過USB接口讀入上位機(jī)USB接口發(fā)送數(shù)據(jù)，然后存入緩存器中。然后，在軟件中的寫SJA1000子程序調(diào)用這個(gè)數(shù)據(jù)后對(duì)SJA1000進(jìn)行寫操作，SJA1000自動(dòng)以CAN的報(bào)文之形式發(fā)到CAN收發(fā)器CTM8251，后者將CAN報(bào)文的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，發(fā)送到CAN總線上。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，先是從CAN總線上的CTM8251接收到數(shù)據(jù)將CAN總線的差分電平轉(zhuǎn)化為SJA1000的控制電平后，經(jīng)SJA1000的驗(yàn)收代碼濾波后，產(chǎn)生中斷并存到接收緩沖寄存器中。MCU接收到SJA1000的中斷后，從SJA1000的緩沖寄存器中，讀取數(shù)據(jù)，通過軟件傳給USB發(fā)送函數(shù)，發(fā)送到上位機(jī)。由于SJA1000是典型的51的地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用結(jié)構(gòu)，而C8051F340則是采用分離結(jié)構(gòu)。因此如何用C8051F340的I/O口來模擬51的讀寫時(shí)序是程序的一個(gè)難點(diǎn)，還有就是上位機(jī)軟件和USB驅(qū)動(dòng)的編寫。

　　因?yàn)镾JA1000的數(shù)據(jù)口是地址數(shù)據(jù)復(fù)用接口，而340單片機(jī)則不是，因此需要用C8051F340的I/O口來模擬SJA1000的讀寫時(shí)序。本裝置中用單片機(jī)的P1.6端口來模擬SJA1000的ALE端口時(shí)序要求。通過合理設(shè)置單片機(jī)端口上的數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)，把需要的數(shù)據(jù)傳輸至SJA1000中，然后通過SJA1000對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，傳輸?shù)紺AN總線上去，實(shí)現(xiàn)兩類總線的數(shù)據(jù)智能通訊。

　　當(dāng)電源打開時(shí)，首先進(jìn)行的是主控制器的也就是C8051F340自身的初始化，包括初始化時(shí)鐘配置，關(guān)閉看門狗，初始化端口配置。第二步是最主要的也就是SJA1000的寄存器的初始化。SJA1000有兩種模式，一種是復(fù)位模式，另一種是工作模式。只有當(dāng)進(jìn)入復(fù)位模式時(shí)才能對(duì)SJA1000進(jìn)行設(shè)置。所以首先就是要確保SJA1000進(jìn)入復(fù)位模式。當(dāng)確定SJA1000進(jìn)入復(fù)位模式后，就可對(duì)SJA1000根據(jù)選擇的波特率、驗(yàn)收濾波位、定時(shí)等等進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成以后再對(duì)SJA1000的模式寄存器進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置為工作模式，并通過程序，確保使之完全可靠的退出工作模式。

　　CAN總線步進(jìn)數(shù)據(jù)發(fā)送過程是數(shù)據(jù)交換的典型過程之一。在這個(gè)過程中首先要初始化SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)。發(fā)送緩沖區(qū)長度為13個(gè)字節(jié)。第一步是要初始化幀信息和標(biāo)識(shí)碼。它的第一個(gè)字節(jié)是幀信息字節(jié)，它說明了這個(gè)報(bào)文的幀格式它說明了幀格式(SFF標(biāo)準(zhǔn)幀或EFF擴(kuò)展幀)遠(yuǎn)程或數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)長度。然后就是初始化標(biāo)識(shí)碼SFF(標(biāo)準(zhǔn)幀)有兩個(gè)字節(jié)的識(shí)別碼EFF(擴(kuò)展幀)有四個(gè)字節(jié)的識(shí)別碼。本設(shè)計(jì)采用擴(kuò)展幀。第二步要對(duì)發(fā)送區(qū)進(jìn)行初始化并確保SJA1000不在接收狀態(tài)、發(fā)送緩沖器沒有被鎖。這些可以通過軟件來查詢狀態(tài)寄存器來確保。第三步就是要寫發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)區(qū)，EFF(擴(kuò)展幀)的數(shù)據(jù)區(qū)最長有8字節(jié)。第四步就是將命令寄存器的發(fā)送位置1，啟動(dòng)發(fā)送，數(shù)據(jù)就自動(dòng)轉(zhuǎn)化為CAN報(bào)文的形式發(fā)送給CAN收發(fā)器CTM8251。

　　4.結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于單片機(jī)的適配器，可以將CAN總線上的數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸?shù)狡渌鳈C(jī)(PC、工控機(jī)等智能終端)進(jìn)行分析和處理、監(jiān)控設(shè)備的工作狀態(tài)等等。也可以用上位機(jī)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器向CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)(計(jì)算機(jī))與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的之間的通信。本設(shè)計(jì)選擇了單片機(jī)加獨(dú)立CAN控制器的方案，智能節(jié)點(diǎn)功能組織靈活，硬件布局設(shè)計(jì)合理，有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值。