原创 USB－CAN－RS232总线转换电路设计及实现

1 引言

随着电子设备的大量出现及针对各种控制系统的实际需求，各种通信网络相继产生。由于它们的总线结构，通信协议及传输特点各不相同，给不同设备之间的连接带来很多麻烦，因而急需各种总线之间的转换装置。目前较流行的现场通信网络有RS－232，RS422/485、HART、Profield、Dupline、CAN和LonWorks等，本文阐述了一种USB－CAN－RS232三总线转换装置，电路设计简单新颖，并并且携带方便，实用性很强。

2 各种总线的特点

2.1 CAN（Controller Area Netwrok）

CAN是控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，具有较高的通信速率（最高达1Mb/s），较远的通信距离（最远达10km），良好的抗电磁干扰能力，而且采用总线仲裁技术，通信方式灵活，越来越受到人们的重视，它在汽车领域的应用最为广泛，一些著名的汽车制造厂商如BENZ（奔驰）、BMW（宝马）、PORSCHE（保时捷）、ROLLS－ROYCE（劳斯莱斯）和JAGUAR（美洲豹）等都采用CAN总线实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。

2.2 USB（Universal Serial Bus）

USB即"通用串行总线"是一种应用在PC中的表型总线，由Intel、Microsoft、NEC等公司共同提出，他是一种新型的外接串联口，提出该规格的厂商希望用USB取代现有的外接设备接口，它还具备连接单一化、软件自动侦测以及热插拔（即插即用）的功能，USB具有以下特点：

1）数据传输速率高。USB高速：480Mb/s；USB全速：12Mb/s；USB低速：1.5Mb/s。
2）数据传输可靠。USB事务处理包括错误检测机制，可以确保数据无错误发送，在发生错误时，事务处理可以重新进行。
3）同时挂接多个USB设备，每个USB总线支持127个设备的连接。
4）USB接口能为设备供电。当外界电源要求电压为5V且电流小于500mA时，可以直接从USB总线获取电源，这样，USB设备无需专用电源线，从而降低了设备成本。
5）支持热拔。USB实现了真正的"即插即用"功能，设备连接后由USB自检测，并且由软件自动配置，完成后立刻就能使用，不需要用户进行干涉。

3 器件特性

3.1 SJA1000型CAN总线控制器

SJA1000是Philips公司早期PCA82C200型CAN控制器的代替品，功能更强，具有如下特点：

完成兼容PCA82C200及其工作模式即BASICCAN模式；
具有扩展的接收缓冲器，64字节的FIFO结构；
支持CAN2.0B；
支持11位和29位识别码；
位速率可达1Mbit/s；
时钟频率高达24M赫兹；
支持与不同微处理器的接口；
可编程的CAN输出驱动配置；
工作温度范围宽（－40摄氏度～＋125摄氏度）。

SJA1000的引脚排列如图1所示，其内部主要由接口管理逻辑IML、信息缓冲器（含发送缓冲器TXB和接收缓冲器RXFIFO）、位流处理器BSP、接收过滤器ASP、位时序处理逻辑BTL、错误管理逻辑EML、内部振荡器及复位电路等构成，IML接收来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址并向控制提供中断信息及状态信息，CPU的控制经IML把要发送的数据写入TXB，TXB中的数据由BSP处理后经BTL输出到CAN BUS。BTL始终监视CAN BUS，当检测到有效的信息头"隐性电平－控制电平"的转换时启动接收过程，接收的信息首先要由位流处理器DSP处理，并由ASP过滤，只有当接收的信息的识别码与ASP检验相符时，接收信息才最终被写入RXB或RXFIFO中，RXFIFO最多可以缓存64字节的数据，该数据可被CPU读取，EML负责传递层中调制器的错误管制，它接收BSP的出错报告，促使DSP和IML进行错误统计。

3.2 USBN9603型USB接口电路

USBN9603的引脚排列如图2所示，它是标准的USB接口电路，符合USB1.0和USB1.1协议。USBN9603集成了3.3V的稳定电源、串行接口引擎SIE、多个USB端点缓冲FIFO、1个8位并行微处理器接口和1个时钟源。

USBN9603的性能如下：低电流，低功能，外接24M赫兹晶体振荡器。
增强型的DMA机制支持数据快速自动传输；
集成了64B的双向FIFO存储器；
外处理器接口模式可由软件控制；
支持24M赫兹晶体振荡器和内部48M赫兹时钟产生电路；
时钟频率可由软件控制；
8位并行接口有两种可选模式，包括地址/数据复用型和非地址/数据复用型；
接收和发送端的缓冲为64B；

4 硬件设计

电路中使用的微处理器是ATMEL公司生产的AT89C51型单片机，硬件连接如图3所示，USBN9603的CLKOUT与AT89C51的XTAL1相连，USBN9603的时钟输出为AT89C51提供时钟输入。AT89C51通过并行地址/数据复用的方式访问USBN9603，AT89C51的P2.0通过74HC14反向后片选USBN9603，其地址为0x00－0x1FF。选用SJA1000作为CAN微控制器，SJA1000集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的帧处理，其地址为0x000－0x0FF。AT82C50作为CAN控制器和物理总线之间的接口，用于提供总线的差动发送能力和CAN控制器差动接收能力。通过AT82C50的引脚3可选择3种不同的工作方式（高速、斜率控制和待机）。该引脚接地为高速方式，高速光耦隔离用6N137实现，其作用是防止串入信号的干扰。MAX232用来完成RS232电平到微控制器接口电路的TTL电平转换，同时还可进行一些总线端口的工作参数设置。

5 软件设计

在微控制器的控制下，各总线之间进行数据交换，微控制器先对各个总线工作参数进行初始化，设置好时钟、寄存器、波特率、并选择合适的中断方式，对于SJA1000，主要指对控制寄存器CR、验收码寄存器ACR、验收屏蔽寄存器AMR、时钟分频寄存器CDR、总线定时寄存器BTR0、总线定时器BRT1等的设置。USB的传输方式有4种：控制传输、块传输、同步传输和中断传输。本设计中使用了控制传输和块传输。USBN9603的内部寄存器和FIFO缓冲区分别对每个端点进行控制，当接到主机法来的IN标记包时，发送端点应自动向上发送数据。如果没有数据发送，则回应NAK（Negative Acknowledegment）握手包。其主程序流程如图4所示。

在设计软件时，一定要正确选择需要传输数据的2种总线，可以用软件或硬件进行选择。

6 结束语

这种3总线转换器可方便地实现不同端口设备之间的数据通信，USB－CAN的转换速率可以达到1Mb/s。如果现场条件要求较高且适应性要求较强，可采用双CPU、加数据缓冲区RAM等措施来完善电路。这样无形中增加了硬件电路的复杂性和软件设计的逻辑性。