CAN(Controller Area Network,，控制器局域網(wǎng))總線是德國Bosch公司在20世紀80年代初為解決汽車中眾多控制與測試儀器間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，主要用于各種設(shè)備檢測及控制,。CAN總線是一種多主機控制局域網(wǎng)標準,，具有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、多主節(jié)點,、無損仲裁,、高可靠性及擴充性能好等特點，能有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò),。一方面,，其通信方式靈活，可實現(xiàn)多主方式工作,，還可實現(xiàn)點對點,、點對多點等多種數(shù)據(jù)收發(fā)方式；另一方面,，它能在相對較大的距離間進行較高位速率的數(shù)據(jù)通信,。因此無論是在高速網(wǎng)絡(luò)還是在低成本的節(jié)點系統(tǒng)，CAN總線都得到了廣泛的應(yīng)用,。USB(Universal Serial Bus,，通用串行總線)是1995年以Intel為首的7家公司推出的一種協(xié)議規(guī)范，具有即插即用,、軟硬件支持廣泛,、功耗低、價格低,、數(shù)據(jù)傳輸率高,、硬件結(jié)構(gòu)標準化和總線拓撲結(jié)構(gòu)完備等特點，因此USB自1995年問世以來,，顯示出了強大的生命力,。在以計算機為上位機的控制系統(tǒng)中,，USB口比較適合作為計算機與測控網(wǎng)絡(luò)的接口。

　　 隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,，PC這個已經(jīng)把USB采納為通用總線和通用接口標準的控制器幾乎已經(jīng)成為各個領(lǐng)域操控終端的不二之選,。只要接口標準統(tǒng)一，并安裝必要的應(yīng)用軟件和驅(qū)動程序,，PC就能接入到各個控制系統(tǒng)中去,。因此，為了應(yīng)用的高效率和操控的便利性,，完全有必要采用技術(shù)手段實現(xiàn)通過PC的USB接口接入CAN專業(yè)網(wǎng)絡(luò),，把USB的通用性和CAN的專業(yè)性結(jié)合起來,，把它們的優(yōu)勢融合,。

　　1 芯片的選擇

　　1．1 CP2102芯片介紹

　　 CP2102是Silicon Labs公司研發(fā)的一種高度集成的USB轉(zhuǎn)UART橋接芯片,，具有價格低,、開發(fā)簡單等特點,，能夠用最簡單的外部電路和最少的外部器件簡便地實現(xiàn)USB到UART的轉(zhuǎn)換,。CP2102包含USB2．O全速功能控制器,、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號的異步串行數(shù)據(jù)總線(UART),。該芯片的全部功能集成在一個5mm×5 mm的QFN28封裝的IC中。CP2102內(nèi)置與計算機通信的協(xié)議,，工作時,，所提供的免費的實用COM口器件驅(qū)動器允許基于CP2102的產(chǎn)品將其作為1個口使用,，也就是通常所說的產(chǎn)生1個虛擬的口，而電路無需任何外部的USB器件即可工作,，工作特性可以滿足CAN總線的傳輸波特率要求,。

　　 C8051F系列單片機是Silicon Labs公司推出的混合信號系統(tǒng)級芯片,，具有與80C51兼容的CIP一51內(nèi)核,，指令集與MCS一51完全兼容,。C8051F040內(nèi)部集成的CAN控制器包括一個CAN內(nèi)核,、消息RAM(獨立于CIP一51內(nèi)核),、消息處理單元、控制寄存器等,。C8051F040內(nèi)部的CAN控制器是一個協(xié)議控制器,，它并沒有提供物理層的驅(qū)動器，實現(xiàn)與CAN總線的接口,，例如82C250、TJAl050等,。數(shù)據(jù)接收和濾波都由CAN控制器完成,，不需要CIP一51內(nèi)核的參與,。通過這種方式使CAN通信時占用的系統(tǒng)資源最小,。CIP一51內(nèi)核通過其內(nèi)部的特殊功能寄存器來配置CAN控制器以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,。C8051F040內(nèi)部的CAN結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

USB-CAN轉(zhuǎn)換器" onclick="get_larger(this)" p="" src="http://files.chinaaet.com/images/20110726/1e0f24a9-bd4a-4f75-b280-bd317322578c.jpg" style="WIDTH: 521px; HEIGHT: 356px" title="USB-CAN轉(zhuǎn)換器" width="550" />

　　CAN的控制協(xié)議寄存器包括控制寄存器CANOCN,、狀態(tài)寄存器CANOSTA、測試寄存器CANOTST、錯誤計數(shù)寄存器,、位定時寄存器、波特CAN控制器,、處理中斷,、監(jiān)視總線狀態(tài),、設(shè)定控制器的測試模式等,。CAN控制器收發(fā)的數(shù)據(jù)存放在消息RAM中,，CAN處理器有32個消息目標,，可以通過配置用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收,。這些消息RAM的數(shù)據(jù)不能被直接訪問，而必須通過接口寄存器IFl或IF2來訪問,。除此之外，可以被直接訪問的寄存器是CANOCN,、CANOSTA、CANOTST,。CAN內(nèi)部其他不能被直接訪問的寄存器通過CANOADR、CANODATH,、CANODATL這三個寄存器來訪問，這三個寄存器分別表示要訪問的寄存器的地址和數(shù)據(jù),，向CANOADR中寫入要訪問的寄存器地址后,，對CANODAT的讀／寫就相當于讀／寫相應(yīng)的寄存器。由于C8051F040內(nèi)部集成了CAN總線控制器,，所以只需外加總線驅(qū)動器并加上適當?shù)母綦x就可以了,，電路顯得非常簡潔。

　　 系統(tǒng)電路如圖2所示,，由CP2102,、C8051F040、CAN驅(qū)動芯片PCA82C250以及光電隔離芯片6N137等組成,。CP2102的RTX,、TXD引腳分別是串口的接收及輸出端，與單片機的對應(yīng)引腳相連,。USB的終止和恢復(fù)信號支持功能便于CP2102器件以及外部電路的電源管理,。當在總線上檢測到終止信號時，CP2102將進入終止模式,。在進入終止模式時,，CP2102會發(fā)SUSPEND和SUSPEND信號。但是,，SUSPEND和SUSPEND在CP2102復(fù)位期間會暫時處于高電平,。為避免這種情況出現(xiàn),，需要用1個10kΩ的電阻來確保SUSPEND在復(fù)位期間保持在低電平。PCA82C250是CAN收發(fā)器,，可增加總線驅(qū)動能力，RS端接地,，系統(tǒng)處于高速工作方式,。6N137是光電隔離芯片,，CAN總線信號CANTX和CANRX從C8051F040出來后先分別經(jīng)過高速光耦6N137進行電氣隔離,，再經(jīng)過CAN總線控制器接口芯片82C250驅(qū)動,，然后接到CAN數(shù)據(jù)線上。6N137實現(xiàn)智能節(jié)點與CAN總線之間的電氣隔離,，不但提高了節(jié)點的可靠性和系統(tǒng)的抗干擾能力,，而且也保護了總線及總線上的其他節(jié)點?？偩€兩端124Ω的電阻對,，防止通信信號傳輸?shù)綄?dǎo)線端點時發(fā)生反射。

　　3 USB與CAN之間協(xié)議轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)

　　 設(shè)計在充分遵守USB和CAN協(xié)議的基礎(chǔ)上,，實現(xiàn)了USB數(shù)據(jù)與CAN數(shù)據(jù)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)。在設(shè)計過程中,，USB的高速率和CAN的低速率,，以及USB的大數(shù)據(jù)包和CAN的小數(shù)據(jù)包之間存在著矛盾，必須認真解決,，否則可能造成數(shù)據(jù)丟失、協(xié)議轉(zhuǎn)換不可靠,、設(shè)備工作不穩(wěn)定。本設(shè)計中USB和CAN都采用了接收中斷方式,，將USB和CAN的數(shù)據(jù)包先存儲下來,，作為緩沖進一步處理。在接收中斷服務(wù)程序的數(shù)據(jù)時,，只有將數(shù)據(jù)準確地收取下來,，才將接收緩沖區(qū)釋放,，在此之前拒絕接收新的數(shù)據(jù),。在數(shù)據(jù)發(fā)送時,，先確認發(fā)送緩沖區(qū)可用才寫入數(shù)據(jù)。由于兩端接口芯片都有內(nèi)部的發(fā)送和接收緩沖區(qū),，主程序的主要任務(wù)就是完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，以及提供通信同步的握手協(xié)議,，防止數(shù)據(jù)丟失和順序錯誤,。