摘要: 該文通過分析目前PC機(jī)和CAN總線之間通信的“瓶頸”問題,從通信的實(shí)際效率角度出發(fā),設(shè)計(jì)了基于微控制器ATmega8515的通用串口總線到控制器局域網(wǎng)總線的適配器. 詳細(xì)介紹了ATmega8515、USBN9603、SJA1000 的性能特點(diǎn)及其在USB-CAN適配器電路中的作用;重點(diǎn)論述了乒乓緩存法在適配器的固件編程上的運(yùn)用;并介紹了適配器驅(qū)動(dòng)程序的編程和實(shí)際應(yīng)用情況.
　　關(guān)鍵詞: 通用串口總線接口;控制器局域網(wǎng)總線;乒乓緩存法;固件;驅(qū)動(dòng)程序
　　CAN(Controller Area Network)總線作為一種多主機(jī)局部網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線,由于其組網(wǎng)的靈活性和便捷性、通信的高效性和可靠性以及低廉的成本,在工廠的分散控制領(lǐng)域受到了廣泛的應(yīng)用. 現(xiàn)在的工廠自動(dòng)化控制,既需要“分散控制”,更需要有效的“集中管理”,以保障生產(chǎn)的安全和效率,而聯(lián)絡(luò)各種設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)總線和對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的工作站(通常為工業(yè)PC機(jī)) 之間的通信成為一個(gè)關(guān)鍵的咽喉. 以往的監(jiān)控站和現(xiàn)場(chǎng)總線之間的通信大多采用兩種方式:一是設(shè)計(jì)專用的通信卡和現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通信;二是通過PC機(jī)的RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口和現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行接口.使用專用的通信卡對(duì)于現(xiàn)在的小型化控制設(shè)備已不太方便和實(shí)用,而以波特率僅為38. 4kb/s 的RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口和波特率達(dá)1 Mb/s的CAN總線進(jìn)行接口,無疑會(huì)造成CAN總線和監(jiān)控站之間的通信“瓶頸”問題.
　　可見,包括RS-232 在內(nèi)的接口已經(jīng)無法滿足PC機(jī)與外部設(shè)備之間不斷提高的速度以及穩(wěn)定性、易用性等方面的要求,并給工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)和用戶的運(yùn)用帶來諸多不便. USB(通用串行總線) 的出現(xiàn)解決了上述問題. USB以其優(yōu)越的易用性、穩(wěn)定性、兼容性、擴(kuò)展性、完備性、網(wǎng)絡(luò)性和低功耗的特點(diǎn)得到了廣泛的歡迎和應(yīng)用,目前的PC機(jī)無論是臺(tái)式還是便攜式,均帶有 USB插口,并且在發(fā)布的USB2. 0 版本中,USB 的帶寬已經(jīng)提升到了480Mb/s. 基于上述原因,作者利用Atmel公司推出的RISC架構(gòu)的微控器ATmega8515 , 設(shè)計(jì)了一種USB總線到CAN總線的專用適配器來對(duì)CAN 總線上的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控. 用USB和CAN總線進(jìn)行對(duì)接,解決了CAN總線和PC機(jī)間的通信“瓶頸”問題,提高了通信速度及效率,同時(shí)又達(dá)到了穩(wěn)定、易用的目的.
1 　USB-CAN適配器的硬件設(shè)計(jì)
　　本文所設(shè)計(jì)的USB-CAN適配器的主要特點(diǎn)是:(1) PC機(jī)和CAN總線之間數(shù)據(jù)傳輸波特率可以達(dá)到CAN總線1 Mb/s 的傳輸效率; (2) PC機(jī)和CAN總線之間數(shù)據(jù)傳輸可靠性高,其硬件系統(tǒng)電路如圖1 所示,其中CAN 總線的控制器選用Philips公司的獨(dú)立CAN總線控制器SJA1000 ,USB總線控制器選擇全速器件USBN9603 ,兩個(gè)總線控制器之間的協(xié)調(diào)處理器采用高性能的AVR 單片機(jī)ATmega8515,從而保障了通信速率;CAN 總線控制器和CAN 總線進(jìn)行光電隔離,采用DC/DC 電源變換器件給光電隔離器件及其后端器件供電,徹底隔離CAN 總線和PC機(jī)之間的電氣干擾,保障了PC機(jī)的安全性.

圖1 　USB-CAN適配器電氣原理圖
1. 1 　外部微控制器
　　獨(dú)立CAN總線控制器SJA1000 和全速USB總線節(jié)點(diǎn)控制器USBN9603必須有外部微控制器進(jìn)行控制才能工作. 設(shè)計(jì)中采用Atmel公司推出的高性能、低功耗的8 位AVR微控制器ATmega8515 ,給USB-CAN適配器帶來諸多優(yōu)點(diǎn),并且提高了其性價(jià)比.
　　ATmega8515具有低功耗特點(diǎn),供電電壓在4.5 ～5.5V DC ,其引腳Vcc 和GND之間電流為20mA. 而USB口電源為+ 5V DC,可提供500mA電流,故在適配器的電路設(shè)計(jì)中利用USB口提供的電源直接供電,免去了電源電路,使電路更為簡(jiǎn)潔.
　　ATmega8515 是RISC架構(gòu),有多達(dá)130 條功能強(qiáng)大的指令(大部分只用一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行) ,32×8通用工作寄存器,完全靜態(tài)運(yùn)作,在16MHz 的晶振下運(yùn)行速度可以達(dá)到16MIPS ,片上2周期的乘法器,其運(yùn)算速度是目前常用的8051單片機(jī)的10多倍,用它可以大大減少USB總線控制器和CAN總線控制器之間協(xié)調(diào)處理的時(shí)間,提高了USB-CAN適配器的實(shí)際通信速率.
　　微控制器具有非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,8K字節(jié)的在線可編程Flash;可選駐留代碼區(qū)帶有獨(dú)立的鎖存位,通過片上駐留程序可以在線編程實(shí)現(xiàn)真正的Read-While-Write 操作;512字節(jié)的EEPROM,可進(jìn)行10 萬次擦寫,使USB-CAN 適配器的重要設(shè)置參數(shù)在掉電情況下仍能保存;512 字節(jié)的SRAM,可選用對(duì)AVR 微控制器進(jìn)行C 或C + + 編程的編譯器, 為開發(fā)比較大的程序帶來了方便( 例如AT90S1200 沒有RAM空間來建立堆棧,只能運(yùn)用匯編器) ;帶有軟件加密位;而且微控制器的外圍器件中有2 個(gè)定時(shí)P計(jì)數(shù)器,具有獨(dú)立的預(yù)分頻、比較模式及捕捉模式;3 個(gè)PWM通道;可編程串行USART;主P從SPI 串行接口,如圖1 中J2 和SPI 的MISO、MOSI、SCK相接,J2 接在串行線ISP 上可在線編程;具有獨(dú)立片上振蕩器的可編程看門狗計(jì)時(shí)器,這些給USB-CAN 適配器控制軟件提供了充足的存儲(chǔ)、開發(fā)空間和安全性.
　　ATmega8515可以擴(kuò)展高達(dá)64K字節(jié)的外部程序存儲(chǔ)器,帶有ALE (即外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址鎖存使能) 引腳,可以很方便地與SJA1000 和USBN9603引腳相連,這是除了AT90S4414/8815 外其它AVR 微處理器所沒有的. 如圖1 所示,SJA1000 在Meag8515 的空間地址為0x7F00H ～ 0x7F7FH , USBN9603 在Meag8515 的空間地址為0xBF00H～0xBFFFH.
1. 2 　USB總線控制器
　　USB -CAN適配器中的USB 總線控制器USBN9603是全速USB 總線節(jié)點(diǎn)控制器,傳輸數(shù)據(jù)波特率可達(dá)12Mb/s. USBN9603內(nèi)部集成收發(fā)器,通過18～27Ω的終端電阻與USB 電纜連接,如圖1中R7、R8 ;片內(nèi)集成了倍頻電路PLL ,可降低EMI ;并具有可編程時(shí)鐘輸出功能,如圖1 中U2 的CLKOUT引腳,在加電復(fù)位狀態(tài)下,默認(rèn)頻率輸出為4 MHz ,通過微處理器編程設(shè)置,其輸出頻率為frequency = 48 MHz/(CLKDIV + 1) ,其中CLKDIV 為0～15 之間的整數(shù),當(dāng)CLKDIV = 2時(shí),可以為ATmega8515 提供16MHz 時(shí)鐘源,簡(jiǎn)化了微處理器外圍電路;USBN9603 內(nèi)部集成了1個(gè)3. 3V 的調(diào)節(jié)器,通過1 個(gè)1. 5 kΩ的上拉電阻(如圖1中R1) 連接到USB 的D + 數(shù)據(jù)線上,可以使USB 主控制器識(shí)別出有1 個(gè)USB 全速設(shè)備正在連接.
　　USBN9603 有7 個(gè)基于FIFO 的端點(diǎn):1 個(gè)必需的雙向控制端點(diǎn)EPC0 (8 字節(jié)緩存), 3 個(gè)發(fā)送端點(diǎn)EPC1、EPC3 和EPC5 (每個(gè)64 字節(jié)緩存) ,3 個(gè)接端點(diǎn)EPC2、EPC4 和EPC6 (每個(gè)64 字節(jié)緩存) . 充分利用USBN9603 的FIFO ,可以使ATmega8515 微處理器和USBN9603 控制器并行運(yùn)行,大大提高了適配器的運(yùn)行效率.
　　USBN9603 的MODE0、MODE1 和ATmega8515 的2 個(gè)引腳相連,通過控制2 個(gè)引腳的電平,可以選擇USBN9603 和微處理器之間的接口方式(如表1 所示) .

表1 　USBN9603 接口方式
　　USBN9603 支持DMA ,圖1 中ATmega8515 通過控制BACK為低電平來使能或高電平禁止DMA. 此外,USBN9603 的中斷輸出INTR 接到ATmega8515 的INTR0 上,使ATmega8515 能夠?qū)SBN9603進(jìn)行及時(shí)的狀態(tài)診斷和事件處理.
1. 3 　CAN總線控制器
　　USB -CAN適配器中的SJA1000是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中獨(dú)立的CAN總線控制器, 是PhilipsSemiconductors公司繼PCA82C200的下一代產(chǎn)品,在PCA82C200 的BasicCAN模式基礎(chǔ)上, 增加了符合CAN2.0 協(xié)議規(guī)定的PeliCAN 模式, 因此它和PCA82C200 在電氣上是兼容的;支持11 位標(biāo)識(shí)符ID和29 位標(biāo)識(shí)符ID ;在達(dá)24MHz 的晶振下,通信速率達(dá)1 Mb/s ;發(fā)送緩存13 個(gè)字節(jié),接收緩存有64個(gè)字節(jié),采用FIFO 模式,減少了接收等待時(shí)間,提高了實(shí)際通信效率.
　　USB-CAN 適配器數(shù)據(jù)傳輸處理框圖如圖2 所示,CAN 總線控制器的數(shù)據(jù)地址復(fù)用口和ATmega8515的PA 口相連,它的中斷使能端和ATmega8515 的INT1引腳相連,使得ATmega8515能夠?qū)JA1000進(jìn)行及時(shí)的狀態(tài)診斷和事件處理;串行數(shù)據(jù)傳輸端通過光電隔離器件6N137和CAN控制器接口器件PCA82C250相連,使USB-CAN適配器的穩(wěn)定性及抗干擾能力大為提高.

圖2 　USB2CAN適配器數(shù)據(jù)傳輸處理框圖
2 　USB-CAN適配器的軟件設(shè)計(jì)
　　USB-CAN 適配器軟件包括兩部分:ATmega8515中的固件和PC機(jī)內(nèi)USB2CAN適配器的驅(qū)動(dòng)軟件.
2. 1 　USB-CAN適配器固件編程
　　良好的開發(fā)環(huán)境是開發(fā)單片機(jī)軟件質(zhì)量和速度的保證.USB2CAN 適配器采用GNU AVR 的版本W(wǎng)inAVR 編程,它能夠?qū)λ蠥VR 單片機(jī)用C 或C + + 語(yǔ)言進(jìn)行編程,且能在WIN2000 下運(yùn)行.
　　USB-CAN 適配器固件設(shè)計(jì)成完全的中斷驅(qū)動(dòng),當(dāng)ATmega8515處理前臺(tái)任務(wù)時(shí),USB 和CAN 的傳輸可以在后臺(tái)同時(shí)進(jìn)行,大大提高了實(shí)際傳輸效率,編程和調(diào)試亦很方便. 后臺(tái)的中斷處理子程序通過設(shè)置事件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)和前臺(tái)主程序之間的數(shù)據(jù)交換(如圖2 所示) .當(dāng)ATmega8515檢測(cè)到CAN 控制器的狀態(tài)寄存器而得知接收緩沖CANRX-Buffer有數(shù)據(jù),就會(huì)把數(shù)據(jù)傳到USB 控制器空閑發(fā)送緩沖區(qū)TXFIFO-1或TXFIFO-2中; 同樣, 當(dāng)USB控制器的接收緩沖區(qū)RXFIFO-1或RXFIFO-2充滿數(shù)據(jù)時(shí),ATmega8515就會(huì)把RXFIFO-1或RXFIFO-2的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)部一個(gè)連續(xù)的RAM空間,當(dāng)CAN總線控制器發(fā)送緩沖區(qū)CAN-TX-Buffer 為空時(shí),再把數(shù)據(jù)從RAM傳到CAN-TX-Buffer.
　　USB -CAN適配器固件設(shè)計(jì)中采用乒乓緩存法提高實(shí)際傳輸速率. USBN9603有7個(gè)端點(diǎn), 通常FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送或接收時(shí)每個(gè)端點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)管道,但是,兩個(gè)同方向傳輸數(shù)據(jù)的端點(diǎn)也可以利用一個(gè)管道,這樣可以有效地提高數(shù)據(jù)的傳輸率,因?yàn)楫?dāng)個(gè)端點(diǎn)的FIFO傳輸數(shù)據(jù)時(shí),微處理器可以對(duì)第二個(gè)端點(diǎn)的FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)讀或?qū)?反之亦然.
　　USBN9603 在進(jìn)行批量傳輸時(shí),其實(shí)際傳輸率大約是512kb/s ,這往往是由于主機(jī)的控制器每幀數(shù)據(jù)包數(shù)量限制造成的,而并非USBN9603本身傳輸性能. 其它傳輸方式,如中斷傳輸、同步傳輸、控制傳輸?shù)膫鬏斔俾蕿?.5Mb/s. 采用乒乓緩存法后,可使傳輸速率提高一倍,從而使傳輸速率為1Mb/s 的CAN總線控制器沒有等待接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)空間的情況,解決了數(shù)據(jù)傳輸中的“瓶頸”問題.在USB-CAN 適配器中,端點(diǎn)EP1 (TXFIFO-1) 和EP3 (TXFIFO-2)發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī),EP2(RXFIFO-1) 和EP4(RXFIFO-2)從主機(jī)接收數(shù)據(jù)(如圖2 所示) ,其FIFO中的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度都是64字節(jié). 在主機(jī)進(jìn)行枚舉過程中,當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到配置設(shè)備請(qǐng)求,固件程序就可以把EP1/EP3和EP2/EP4分別分配到同一個(gè)端點(diǎn)地址.USBN9603 內(nèi)置有一個(gè)優(yōu)先級(jí)表,如果多個(gè)端點(diǎn)編程指定為同一個(gè)端點(diǎn)號(hào),具有較低號(hào)的端點(diǎn)(利用TOGGL 標(biāo)志區(qū)分高低)首先得到響應(yīng)和數(shù)據(jù).
2. 1. 1 　數(shù)據(jù)上傳
　　當(dāng)主機(jī)發(fā)送一個(gè)IN 令牌給USB-CAN 適配器,適配器就開始向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù). 圖3 為數(shù)據(jù)上傳的流程圖. 通過兩個(gè)標(biāo)志UPDATE1 和UPDATE2 把主程序和Tx 中斷子程序緊密聯(lián)系起來,體現(xiàn)了前臺(tái)后臺(tái)程序設(shè)計(jì)思想. 當(dāng)UPDATE1 清0 ,上傳數(shù)據(jù)完畢;當(dāng)置1 時(shí),開始傳輸下一批數(shù)據(jù). 圖4為EP1的Tx中斷子程序流程圖,UPDATE1 在該中斷子程序置1.UPDATE2的運(yùn)行和UPDATE1相似.

圖3 　主程序處理上傳送FIFO 數(shù)據(jù)流程

圖4 　EP1 的Tx 中斷子程序流程
2. 1. 2 　數(shù)據(jù)下傳
　　當(dāng)主機(jī)發(fā)送一個(gè)OUT令牌給USB2CAN適配器,適配器就開始接收PC發(fā)送的數(shù)據(jù),并將其暫存在ATmega8515 的RAM中,然后傳到CAN總線控制器的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)CAN.TX.Buffer. 圖5 為EP2的Rx中斷子程序流程,顯示了PC的數(shù)據(jù)如何傳到CAN總線的發(fā)送緩沖區(qū). 端點(diǎn)EP4 的Rx 中斷子程序流程和EP2的相似. 

圖5 　EP2 的Rx 中斷子程序流程
2. 2 　USB-CAN適配器驅(qū)動(dòng)程序編程
　　USB-CAN適配器設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序采用Win2000DDK編寫,在VC6.0+ +環(huán)境中編譯. 驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行于內(nèi)核模式,其程序組織主要是按功能進(jìn)行劃分,而不是一種層次結(jié)構(gòu). 即插即用例程和電源管理例程完全按照USB 標(biāo)準(zhǔn)總線驅(qū)動(dòng)程序參考編寫.一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序可以被多個(gè)類似的硬件使用,但驅(qū)動(dòng)程序的某些全局初始化操作只能在次被裝入時(shí)執(zhí)行. 而DriverEntry例程就是用于這個(gè)目的,它是內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序主入口點(diǎn). I/O管理器按下面方式調(diào)用該例程:
extern“C”NTSTATUS DriverEntry ( IN PDRIVER OBJ ECT  DriverObject , INPUNICODE STRING  RegistryPath)
DriverEntry 的個(gè)參數(shù)是一個(gè)指針,指向一個(gè)剛被創(chuàng)建的驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο?
DriverEntry 的第二個(gè)參數(shù)是設(shè)備服務(wù)鍵的鍵名.
本設(shè)計(jì)中該例程的各個(gè)域設(shè)置如下:
DriverObject - > DriverUnload =
　　UsbCan- DriverUnload ;
DriverObject - > DriverExtension - > AddDevice =
　　UsbCan- AddDevice ;
DriverObject - >MajorFunction[ IRP- MJ - CREATE] =
　　UsbCan- DispatchCreate ;
DriverObject - >MajorFunction[ IRP- MJ - CLOSE] =
　　UsbCan- DispatchClose ;
DriverObject - >MajorFunction[ IRP- MJ - READ] =
　　UsbCan- DispatchRead ;
DriverObject - >MajorFunction[ IRP- MJ - WRITE] =
　　UsbCan- DispatchWrite ;
DriverObject - > MajorFunction[ IRP- MJ - INTERNAL - DEVICECONTROL
] =
　　UsbCan- DispatchInternalControl ;
DriverObject - >MajorFunction[ IRP- MJ - POWER] =
　　UsbCan- DispatchPower ;
DriverObject - >MajorFunction[ IRP- MJ - PNP] =
　　UsbCan- DispatchPnp ;
DriverObject - > MajorFunction [ IRP- MJ - DEVICE- CONTROL ]
=
　　UsbCan- DispatchControl.
3 　USB-CAN適配器的應(yīng)用
　　本文設(shè)計(jì)的USB-CAN適配器在分布式PLC 控制系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖6 所示,筆記本電腦通過該適配器和PLC控制系統(tǒng)的CAN總線進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)了一個(gè)筆記本對(duì)多個(gè)PLC進(jìn)行程序及對(duì)多個(gè)PLC運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視,特別是在上位機(jī)只進(jìn)行監(jiān)視的情況下,可以進(jìn)行熱插拔而不影響系統(tǒng)的運(yùn)行,給系統(tǒng)調(diào)試帶來極大的方便. 經(jīng)USB測(cè)試軟件測(cè)試,其傳輸速率在40m內(nèi)達(dá)到了1Mb/s.

  

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