CAN总线设计(最终版)(1)

CAN-USB适配器设计

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设计提交日期：**年**月

摘要

随着现场总线技术和计算机外设接口技术的发展，现场总线与计算机快速有效的连接又有了更多的方案。USB作为一种新型的接口技术，以其简单易用、速度快等特点而备受青睐。本文介绍了一种基于新型USB接口芯片CH372的CAN总线网络适配器系统的设计,提出了一种使用USB接口实现CAN总线网络与计算机连接

的方案。利用芯片CH372可在不了解任何USB协议或固件程序甚至驱动程序的情况下,轻松地将并口或串口产品升级到USB接口。该系统在工业现场较之以往的系统,可以更加灵活,高速,高效地完成大量数据交换,并可应用于多种控制系统之中，具有很大的应用价值。

关键词:USB;CH372;CAN;SJA100；适配器

目录

1.设计思想 (3)

2.CAN总线与USB的转换概述 (4)

3. 适配器硬件接口设计 (5)

3.1 USB接口电路 (5)

3.2 CAN总线接口电路 (7)

4．USB通用设备接口芯片CH372 (8)

4.1 概述 (8)

4.2 引脚功能说明 (9)

4.3 内部结构 (9)

4.4 命令 (10)

5．软件设计 (10)

5.1 概述 (10)

5.2主监控程序设计 (12)

5.3 CAN和USB接口芯片的初始化 (13)

5.4 CAN报文的发送 (15)

5.5 CAN报文的接收 (17)

5.6．自检过程 (19)

5.7 USB下传子程序设计 (20)

5.8 USB上传子程序设计 (22)

5.9．USB—CAN转换器计算机端软件设计 (23)

6. 抗干扰措施 (25)

7. 估算成本 (26)

8. 应用实例介绍 (27)

9 总结及设计心得 (28)

10 参考文献 (28)

1 设计思想

现场总线网络技术的实现需要与计算机相结合。目前，在微机上扩展CAN总线接口设备一般采用PCI总线或者RS-232总线。PCI虽然仍是高速外设与计算机接口的主要渠道，但其主要缺点是占用有限的系统资源、扩展槽地址；中断资源有限；并且插拔不方便；价格较贵；而且设计复杂、需有高质量的驱动程序保证系统的稳定；且无法用于便携式计算机的扩

展；RS-232虽然插拔方便，但是传输速率太慢。

本文的设计思想是通过使用USB接口芯片CH372，将计算机与CAN网络控制节点参数相互准确快速地传输。CH372是一种USB总线通用接口芯片，在计算机系统中，通过CH372的配套软件可提供简洁易用的操作接口，从而使其与本地端的单片机通讯就如同读写硬盘中的文件一样简单，由于CH372屏蔽了USB通讯中的所有协议，因而可在计算机应用层与本地端控制器之间提供端对端的连接，在不需要了解任何USB协议或者固件程序甚至驱动程序的情况下，就可轻松地将并口、串口产品升级到USB接口。

CAN适配器用于完成USB总线和CAN总线之间的数据交换。使用MCU统筹安排数据在USB总线和CAN总线之间的数据交换。以MCU为界可以将硬件分为两部分：一是MCU和USB总线交换数据；二是MCU控制CAN控制器，完成CAN数据包到CAN总线位序列协议解释，该系统结构如图1所示。

2 CAN总线与USB的转换概述

USB是英文UniVersalSerial Bus的缩写，即通用串行总线，它是针对计算机外设的一种新型串行通信的接口标难。最初的USB总线标准由Intel、Microsoft、Compaq和NEC等多家公司于1994年共同提出，到1998年推出了1．1全速版本，2000年又推出了2．0高速版本，再到最近的USB—OTG新兴技术，随着规范的不断完善和发展，具有快速、双向、即插即用且价格低廉特点的USB总线，近几年来已在计算机与外设的连接以及基于计算机的各种仪器中获得了广泛的应用。USB总线共有4种基本类型的数据传输，分别为控制传输、批量传输、中断传输和同步传输，为不同的通信任务要求提供了灵活的选择。但USB总线毕竟不是为工业现场测控应用而设计的总线，它可连接的设备数较少，通信距离短，抗干扰能力也不是很强；而CAN总线则具有可连接设备数目多、传输距离远、抗干扰能力强等许多优点，但其不能直接与计算机相连。如果能将USB总线与CAN总线结合起来，设计一个USB—CAN转换器，就能同时利用两者的优点，在现场测控领域实现更强大而灵活的通信任务。

图2 网关中断处理程序流程图(接收CAN子网报文)

3 适配器硬件接口设计

3.1 USB接口电路

USB接口电路在微控制器和USB接口的选择上有两种方式：一种是采用具备USB通讯功能的微处理器。随着USB应用的日益广泛，Intel、Cypress、Philips等芯片厂商都推出了具有USB通信接口的微处理器，如8X930A、8X931A、EZ-USB等。由于这些微处理器具有USB 接口，它们与过去的开发系统不兼容，需要购买新的开发系统，投资较高。另一种是采用普通微处理器加上专用的USB通信芯片。

现在的专用芯片中较流行的有USBN9602、SL11、PDIUSBD12等。但是，USB接口的开发一般要求设计人员对USB的标准、Firmware编程及驱动程序编写等有较深入的理解，因

此限制了一般的硬件工程师对USB接口产品的开发使用。本系统中使用了USB接口芯片CH372，使用非常简单，开发人员只要熟悉单片机的编程及简单的VB或者VC应用程序编程，在较短的时间内就可开发出相应的USB产品。

CH372是一个USB总线的通用设备接口芯片，遵守USB1.1协议。在本地端，CH372具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机、DSP等控制器的系统总线上；在计算机系统中，CH372的配套软件提供了简洁易用的操作接口，与本地端的单片机通信就如同读写硬盘中的文件。CH372内置了USB通讯中的底层协议，具有内置固件模式和外置固件模式。在内置固件模式下CH372屏蔽了USB通信中的所有协议，在计算机应用层与本地端控制器之间提供端对端的连接。使用CH372，不需要了解任何USB 协议或者固件程序，甚至驱动程序，就可以轻松地将并口、串口的产品升级到USB接口。

CH372芯片的RD和WR可以分别连接到单片机的读选通输出引脚和写选通输出引脚。CS由地址译码电路驱动，用于当单片机具有多个外围器件时进行设备选择。INT可以连接到单片机的中断输入引脚，中断请求是低电平有效。当CS和RD以及A0都为低电平时，CH372中的数据通过D7～D0输出；当CS和WR以及A0都为低电平时，D7～D0上的数据被写入CH372芯片中；当CS和WR都为低电平而A1为高电平时，D7～D0上的数据被作为命令码写入CH372芯片中。CH372芯片的UD+和UD-引脚应该直接连接到USB总线上。如果为了芯片安全而串接保险电阻或者电感，那么交直流等效串联电阻应该在5Ω之内。CH372芯片内置了电源上电复位电路，一般情况下，不需要外部提供复位。CH372芯片正常工作时需要外部为其提供12MHz的时钟信号。一般情况下，时钟信号由CH372内置的反相器通过晶体稳频振荡产生。外围电路只需要在X1和X0引脚之间连接一个标称频率为12MHz的晶体，并且分别为X1和X0引脚对地连接一个容量为30pF的高频振荡电容。CH372芯片支持5V电源电压或者3.3V电源电压。当使用5V工作电压时，CH372芯片的VCC引脚输入外部5V电源，并且，V3引脚应该外接容量为0.1μF左右的电源退耦电容。当使用3.3V工作电压时，CH372芯片的V3引脚应该与VCC引脚相连接，同时输入外部的3.3V电源，并且与CH372芯片相连接的其它电路的工作电压不能超过3.3V。接口电路如图3所示。

图3 USB接口电路

3.2 CAN总线接口电路

CAN总线接口电路这部分由CAN控制器、CAN接口芯片和光耦组成。CAN控制器完成CAN通讯协议的所有要求，CAN接口芯片是CAN控制器和物理总线间的接口，并经由光耦将数据发往CAN总线，接口电路图如图4所示。

图4 CAN总线接口电路

CAN总线控制器采用Philips公司的SJA1000，并辅以该公司的PCA82C250接口驱动器，通过光电隔离器件6N137实现了总线与控制器的隔离。SJA1000是一款独立的控制器，用于汽车和一般工业环境中，从软件的角度来看，对SJA1000的操作通过单片机的访问外部存储器指令来完成，所以，SJA1000可以被视为一种扩展RAM，SJA1000具有标准模式和Peli模式两种应用模式。标准模式符合CAN2.0A协议标准，接收缓冲器有64个字节；Peli模式符合2.0B标准，能处理扩展数据格式，具有仲裁丢失捕获、代码读取等功能。

PCA82C250是CAN控制器和物理总线之间的接口，它具有限定的电流值以保护接收器输出级，避免阳极和阴极的短路，以防止输出级的损坏，PCA82C250CAN接口控制器提供了总线驱动发送和接收能力，高速可达1Mbps，具有较强的抗干扰能力。

图5为设计的基于CH372的USB—CAN转换器硬件电路原理图。转换器的微控制器采用89C52，负责整个转换器的监控任务以及CAN总线与USB总线的通信任务。CAN控制器接口电路由CAN通信控制器SJAl000和CAN收发器82C250

组成，USB控制器接口电路采用CH372。SJAl000和CH372的中断输出INT分别与89C52的0

INT相连，从而可采用中断方式来接收USB与CAN总线报INT和1

文。这种方法能保证最快的9向应速度，可提高通信效率。‘

图5 USB-CAN适配器硬件电路原理图

4 USB通用设备接口芯片CH372

4.1 概述

CH372是一种USB总线的通用设备接口芯片。与其他USB接口芯片相比，该芯片具有接口设计简单，编程使用方便等优点。CH372具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可方便地挂接到单片机或DSP等控制器的系统总线上。在计算机系统中，CH372的配套软件提供了简洁、易用的操作接口，与本地端的单片机通信就如同读／写文件一样。

CH372内置了USB通信中的底层协议，具有内置固件模式和外置固件模式。在内置固件模式下，CH372自动处理默认端点0的所有事务，完成标准的USB 枚举配置过程，而本地单片机只负责数据交换。在外置固件模式下，由外部单片机或DSP根据需要自行处理各种USB请求，从而可以实现符合各种USB类规范的设备。CH372提供一对主端点和一对辅助端点，支持控制传输、批量传输和中断传输。通用Wjndows驱动程序提供设备级接口，通过DLL提供API应用层接口。

4.2 引脚功能说明

CH372采用SSOP—20封装，表1对其各引脚功能进行了说明。

表1 CH373引脚功能

4.3 内部结构

CH372芯片内部集成了USB接口SIE、数据缓冲区、被动并行接口、命令解释器、电压调整器、通用的固件程序等。通用的固件程序用于自动处理USB默认端点o的各种标准事务等。

CH372芯片内部具有5个物理端点：端点o是默认端点，支持上传和下传，上传和下传缓冲区各是8字节；端点l包括上传端点和下传端点，上传和下传缓冲区各是8字节，上传端点的端点号是81H，下传端点的端点号是olH；端点2包括上传瑞点和下传端点，上传和下传缓冲区各是64字节，上传端点的端点号是82H，下传端点的端点号是02H。

在内置固件模式下，端点1的下传端点破禁止，端点1的上传端点作为中断端点，端点2的上传端点作为批量数据发送端点，端点2的下传端点作为批量数据接收端点。在外部固件模式下，端点o作为默认端点，端点1和端点2可根据USB产品的需要选择使用，并且可由外部固件提供的描述符分别定义其用途。通常情况下，端点2作为数据传输的主端点，如果USB产品需要，则可将端点1作为辅助端点。

4.4 命令

CH372内部的各种功能都是通过命令的方式来实现的。表2列出了CH372在内置固件模式下可能用到的命令。

表2 CH372命令

5 软件设计

5.1 概述

软件主程序的流程图如图6所示。

图6 系统软件主程序流程图

首先进行MCU、SJA1000和USB的初始化，初始化后系统处于循环等待状态，若有中断产生，就进入相应的中断服务程序，如果CAN总线有数据上传，则转入CAN中断服务程序，由微处理器从SJA1000缓冲区接收数据，写入微处理器的数据缓冲区，并置标志返回，如果上位机有数据下传，则转入USB中断服务程序（下位机中断服务程序流程如图7所示），微处理器从USB缓冲区中读取数据，存入缓冲区，并置标志返回，接收数据是将数据从缓冲区读出发送到USB总线，通过USB总线传送到上位机（下位机数据上传子程序流程简图如图5所示），发送数据是将数据从缓冲区读出写入SJA1000的缓冲区，由CAN节点读取，这种处理可以使微处理器在执行完相应的中断程序后只需读取缓冲区，然后执行相应的接收或发送程序即可完成上位机和下位机的数据交换。对于计算机应用层的程序，在计算机上装载WINCHIPHEAD提供的CH372的通用驱动程序后，不必再考虑USB通信协议、固件程序、驱动程序、自动配置过程和底层数据传输过程。只需要根据提供的动态连接库的接口函数，用VB或VC编制自己的应用程序即可。

图7 下位机中断服务程序流程

图8 下位机数据上传子程序流程

USB与CAN总线适配器软件主要实现USB与CAN总线之间的协议转换，即将接收到的CAN报文通过USB接口发送给计算机，把从计算机接收到的USB报文通过CAN接口发送给外部设备。为了实现上述通信任务，其软件设计主要包括以下部分：主监控程序、CAN和USB接口芯片的初始化、CAN报文的接收和发送、USB报文的下传和上传。

在介绍具体程序设计之前，为了程序说明的需要，现将程序中用到的一些变量或符号的定义列举如下：

USB接口芯片端口地址

COMPORT EQU 8100H

DATPORT EQU 800H

MODE EQU 0200H

CHR EQU 0201H

CBFRP EQU 2AH

CBFTP EQU 2BH

BFLEN EQU 2CH

USBRP EQU 2DH

USBTING BIT 00H

5.2 主监控程序设计

主监控程序负责对USB和CAN报文的接收缓冲区进行监视，若某一路缓冲区非空，则向另一路转发。但要实现在USB总线与CAN总线之间的通信，必须考虑到USB总线与CAN总线在帧格式方面的不同。例如：USB传输报文的数据长度最大可达64字节，而CAN总线为8字节，两者是不兼容的；CAN总线有ID 标识符，而USB总线没有，两者也是不兼容的。为了保持两种协议的兼容性，提高通信效率，在本设计中将USB传输报文的大小限定在5—12字节之间，其中包括4字节的ID。也可以根据实际需要不作上述限制，而当USB报文内容超过8字节时，采用通过CAN总线多次传送的办法实现。

本设计中CAN报文接收缓冲区采用FIFO算法管理，共分配88字节单元(30H 一87H)的内存，USB报文接收缓冲区的管理没有采用FIFo算法。USB—CAN转换器主监控程序的设计与CAN网控器的设计类似，这里只简单介绍：MLLOOP: NOP

MOV A,CBF1RP

CJNE A,CBF1TP,LOOP1

NOP

SJMP LOOP2

NOP

LOOP1: LCALL TDATA2

LOOP2: NOP

MOV A,CBF2RP

CJNE A,CBF2TP,LOOP3

NOP

SJMP MLOOP

NOP

LOOP3: LCALL TDATA1

NOP

SJMP MLOOP

5.3 CAN和USB接口芯片的初始化

5.3.1 CH372初始化

USB接口芯片CH372的初始化主要是测试芯片是否工作正常，并进行工作模式的设置。CH372占用两个端口地址，当Ao引脚为高电平时选择命令端口，可以写入命令；当Ao引脚为低电平时选择数据端口，可以读／写数据。微控制器通过8位并口访问CH372，所有操作都是由一个命令码、若干个输人数据和若干个输出数据组成，部分命令不需要输入数据，部分命令没有输出数据。命令RESET —ALL使CH372执行硬件复位，通常情况下，硬件复位在40 ms时间之内完成。

CH372命令的具体操作步骤如下：

①在Ao＝1时向命令端口写人命令代码；②如果该命令具有输入数据，则在Ao＝o时依次写入输入数据，每次1字节；③如果该命令具有输出数据，则在Ao＝o时依次读取输出数据，每次1字节；④命令完成，可以暂停或者转到第①步继续执行下一个命令。下面提供了CH372初始化源程序：

USBINI:MOV DPTR,#COMPORT ;复位CH372

MOV A,#05H

MOVX @DPTR,A

MOV R0,#00H

DL1:MOV R1,#00H ；延时40MS

DJNZ R1,$

DJNZ R0,DL1

MOV A,#06H ；测试工作状态

MOVX @DPTR,A

MOV DPTR, #DATPORT

MOV A,#0AAH

MOVX @DPTR,A

NOP

MOVX A,@DPTR

CJNZ A,#55H,USBINI

MOV DPTR,#COMPORT

MOV A,#15H

MOVX @DPTR,A

MOV DPTR, #DATPORT

MOV A.#02H

MOVX @DPTR,A

MOV R0,#0AH

DJNZ R0,$

MOV DPTR,#DATPOT

MOVX A,@DPTR

CJNZ A,#51H,USBINI

NOP

RET

5.3.2 SJAl000初始化

SJAl000的初始化只有在复位模式下才可以进行，初始化主要包括工作方式的设置、验收滤波方式的设置、验收屏蔽寄存器(AMR)和验收代码寄存器(ACR)的设置、波特串参数设置和中断允许寄存器(1ER)的设置等。在完成SJAl000的初始化设置以后，SJAlo00就可以回到工作状态，进行正常的通信任务。电路中SJAl000使用的外部品振频率是16MHz。下面提供了SJAlooo初始化的51汇编源程序，程序中寄存器符号表示的是SJAlo00相应寄存器占用的片外存储器地址，这些符号可在程序的头部用伪指令EQU进行定义。

5.4 CAN报文的发送

发送子程序负责节点报文的发送。发送时用户只需将待发送的数据按特定格式组合成一帧报文，送入团A1000发送缓存区中，然后启动SJAl000发送即可。当然，在往SJAlo00发送缓存区送报文之前，必须先作一些判断(如下面程序所示)。发送程序分发送远程帧和数据帧两种，远程帧无数据场。

1)发送数据帧

2)发送远程帧

5.5 CAN报文的接收

接收子程序负责节点报文的接收以及其他情况处理。接收子程序比发送子程序要复杂一些，因为在处理接收报文的过程中，同时要对诸如总线关闭、错误报警、接收溢出等情况进行处理。SJAl000报文的接收主要有两种方式：中断接收方式和查询接收方式。如果对通信的实时性要求不是很强，建议采用查询接收方式。两种接收方式的编程思路基本相同。下面仅以查询方式接收报文为例对接收子程序作一个说明。

5.6 自检过程

进行CAN总线自检，可测试CAN总线和网络终端在内的物理层接口是否可用，测试SJAlo00和82C250是否工作正常。SJAlooo支持两种不同的自检模式：全局自检和局部自检。全局自检时必须至少有一个其他的CAN节点连接到总线上以得到一个应答，而局部自检可应用于单节点的测试，它不需要其他节点的应答。但局部自检模式下，SJAlooo必须处于自检测模式中，然后启动发送和自接收请求命令一起执行，而全局自检模式只需启动发送和自接收请求命令即可。

下面提供了启动局部自检模式的汇编代码，它与启动正常的CAN发送相似。但需要注意的是，SJAlooo必须先进入复位模式，为接收CAN报文配置好中断允许寄存器和验收滤波

器，然后选定自检测模式并退出复位状态，在正常工作模式下填充报文，最后启动发送和自接收请求命令。

5.7 USB下传子程序设计

CH372初始化后，就可以进行USB与计算机之间的通信了。在本设计中采用了端点的批量传输模式来下传数据，CH372接收到计算机的下传数据时，就会以中断方式通知微制器接收USB报文。接收到的报文暂存在微控制器的USB 报文接收缓冲区中，主监控程在检测到该缓冲区非空时即通过CAN总线转发该报文。下面提供了USB接收中断子程

USBREC:CLR EA ；查询接收方式

PUSH ACC ；保护现场