基于DSP的CAN—USB通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張　君，郭陽寬，祝連慶，那云，孟曉辰

(北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京　100192)

0　引言

CAN總線具有傳輸距離遠、傳輸速率高、抗干擾能力強、易于組網(wǎng)、成本低等優(yōu)點[1]。目前CAN總線與PC連接普遍采用RS232、RS485和ISA等傳統(tǒng)接口技術(shù)，它們存在著傳輸速度慢、功耗高、安裝復(fù)雜等缺點。USB接口技術(shù)以其傳輸速度快、集成化程度高、支持熱插拔、即插即用、無需外接電源和連接簡單等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用[2]。因此，使用USB作為CAN總線與PC連接的接口，將極大提高通信的速度和通信的可靠性。DSP具有成本低、功耗低、處理消息速度快等優(yōu)點，在通信和工業(yè)產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。用DSP作為USB與CAN之間的微處理器，可以完成信息的實時讀取、處理和傳輸?shù)墓δ堋?/p>

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計

1．1總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)主要由USB總線接口、微處理器TMS320F2812和 CAN總線接口組成。

圖1系統(tǒng)框圖

其中USB總線接口負責(zé)PC和微處理器TMS320F2812之間消息的交換；CAN總線接口負責(zé)CAN節(jié)點與微處理器TMS320F2812之間消息的交換；微處理器TMS320F2812用于將USB總線接口和CAN總線接口連接起來，實現(xiàn)對USB與CAN總線上消息的讀取，處理和傳輸?shù)墓δ堋?/p>

1．2USB總線接口的硬件設(shè)計

USB總線接口的硬件電路連接框圖如圖2所示，主要由USB接口芯片CY7C68013和微處理器TMS320F2812構(gòu)成。CY7C68013內(nèi)部集成了USB2．0收發(fā)器、SIE、增強的8051微控制器和可編程的外圍接口。工作在48MHz晶振下時，指令執(zhí)行的速度遠快于標(biāo)準(zhǔn)的8051單片機。設(shè)計采用CY7C68013的SLAVE FIFO模式，在此模式下，CY7C68013內(nèi)部CPU不參與消息的傳輸，而是由外部的微處理器直接控制CY7C68013 中FIFO消息的讀寫。微處理器TMS320F2812作為控制核心，產(chǎn)生USB的片選信號、端點選擇和讀寫信號控制CY7C68013進行消息傳輸。

圖2　硬件電路連接框圖

在圖2中，CY7C68013經(jīng)過16位雙向數(shù)據(jù)總線FD連接至TMS320F2812，通過SLOE引腳控制輸出。FIFOADR[1：0]引腳用于選擇4個FIFO端點緩沖區(qū)中的一個與XD總線連接。SLRD和SLWR分別是FIFO的讀寫選通信號。FLAGA-C用于表示CY7C68013芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的狀態(tài)，其直接與DSP的IO引腳相連。

1．3CAN總線接口的硬件設(shè)計

TMS320F2812芯片上集成了一個完整的增強型CAN控制器，即eCAN，其為CPU提供了完整的CAN2．0B協(xié)議，因此，設(shè)計電路時不必外接控制器就可以實現(xiàn)CAN總線的底層協(xié)議[3]。TMS320F2812內(nèi)部CAN控制器只有通過CAN收發(fā)器才能與外部進行通信，因此采用外接PCA82C250作為CAN的收發(fā)器。PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線間的接口，該器件對總線提供差動發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動接收能力，負擔(dān)著節(jié)點邏輯電平和CAN總線差動電平之間的電平轉(zhuǎn)換任務(wù)。PCA82C250可以增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低射頻干擾實現(xiàn)熱防護[4]?；赥MS320F2812的CAN總線接口硬件電路如圖3所示。

圖3　CAN總線接口硬件電路圖

在圖3中，引腳CANRX，CANTX分別是DSP內(nèi)部CAN控制器模塊的接收、發(fā)送引腳，其直接與PCA82C250的RXD和TXD引腳相連。CANH和CANL為差分輸出，2個引腳分別通過1個限流電阻與CAN總線相連，該限流電阻可以克服長線效應(yīng)，減小通信介質(zhì)中信號的反射。引腳RS用于工作模式的選擇。通過外接1個22 kΩ的斜率電阻，使系統(tǒng)工作在斜率模式下，該模式允許使用非屏蔽雙絞線或平行線作為總線，可降低射頻干擾。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括CY7C68013固件程序的設(shè)計、CAN程序的設(shè)計以及應(yīng)用程序的設(shè)計。

2．1固件程序設(shè)計

固件程序是指存儲在USB接口芯片內(nèi)部，用于輔助設(shè)備完成預(yù)期功能的程序。該程序主要完成USB接口芯片內(nèi)部的初始化，處理主機的設(shè)備請求，以及完成外圍電路的控制等[5]。Cypress公司為CY7C68013的固件開發(fā)提供了固件程序框架和相關(guān)的庫文件，為了實現(xiàn)特定的功能，只需要在TD_Init()、TD_Poll()等函數(shù)中配置需要使用的端點，選擇合適的傳輸方式，添加實現(xiàn)功能的代碼等[6]。

系統(tǒng)上電后，固件程序首先初始化內(nèi)部的狀態(tài)變量，然后調(diào)用初始化函數(shù)TD_Init()，當(dāng)程序從此函數(shù)返回后，固件程序就會設(shè)置USB接口成為未配置的狀態(tài)并且使能中斷，接下來，在1 s的間隔內(nèi)重新列舉設(shè)備，并直到端點0接收到設(shè)置封包為止。一旦設(shè)置封包被檢測到，固件程序?qū)㈤_始交互的任務(wù)調(diào)度[6]。為使系統(tǒng)能夠快速、可靠地傳輸消息，采用自動批量傳輸。將端點2設(shè)置為OUT型，負責(zé)傳輸PC的消息；將端點6設(shè)置為IN型，負責(zé)接收CAN總線上的消息。以下是在Keil C51環(huán)境下編寫的以C語言為基礎(chǔ)的固件程序的主要代碼。

void TD_Init(void)

{IFCONFIG |= 0xCB；//異步從FIFO模式，使用內(nèi)部的48MHz的時鐘頻率

……．．

//初始化端點2的輸出的程序段

EP2CFG = 0xA2；

EP2FIFOCFG=0x10；

// 初始化端點6的輸入的程序段

EP6CFG = 0xE2；

EP6FIFOCFG=0x0C；

……．．

//FLAGA標(biāo)志端點2的空，F(xiàn)LAGB標(biāo)志端點6的滿

PINFLAGSAB=0xE8；

}

2．2CAN程序設(shè)計

系統(tǒng)CAN總線通信工作原理為：在程序初始化中，根據(jù)系統(tǒng)要求對CAN寄存器進行初始化；DSP對CAN總線通信的管理包括發(fā)送信息和接收信息。 TMS320F2812中的eCAN模塊主要由CAN協(xié)議內(nèi)核和消息控制器構(gòu)成。CAN協(xié)議內(nèi)核主要完成消息解碼，并向接收緩沖發(fā)送解碼后的消息，同時根據(jù)CAN協(xié)議向總線發(fā)送消息，消息控制器決定接收到的消息的取舍[7]。對具體系統(tǒng)的總線通信軟件部分的設(shè)計包括應(yīng)用層協(xié)議制定和實施，明確各節(jié)點的功能以及相互交互的數(shù)據(jù)，規(guī)定每位數(shù)據(jù)的確切含義以及要做的響應(yīng)處理[5]。因此，在軟件設(shè)計中，主要完成3部分程序的設(shè)計：初始化程序、發(fā)送消息程序以及接收消息程序。

2．2．1初始化程序設(shè)計

CAN模塊初始化包括：時鐘使能，引腳定義，波特率設(shè)定等。首先，關(guān)閉看門狗，通過配置PLLCR、PCLKCR寄存器，對時鐘和頻率進行設(shè)置；其次，配置DSP寄存器GPMFUX的位6和位7，使CANTX和CANRX引腳作為CAN的通信接口引腳；然后，配置與波特率相關(guān)的3個寄存器(SCSR1、BCR1和BCR2)；最后，對中斷進行設(shè)置，主要包括郵箱中斷屏蔽寄存器CANMIM以及郵箱中斷級別設(shè)置寄存器CANMIL的配置。只有當(dāng)CAN總線控制器進入復(fù)位模式時，才能進行初始化，而當(dāng)初始化完成后，控制器的復(fù)位標(biāo)志必須清除。

2．2．2發(fā)送消息和接收消息程序設(shè)計

CAN總線采用“載波檢測，多主掌控、沖突避免(CSMA/CA)”的通信模式，以報文為單位進行消息傳輸[7]。發(fā)送消息的過程如圖4所示。發(fā)送消息時，需要初始化發(fā)送郵箱，主要包括設(shè)置郵箱使能寄存器CANME，郵箱數(shù)據(jù)方向寄存器CANMD，通過寄存器MBOXn．MSGID(n=0-31)設(shè)置發(fā)送郵箱的ID，初始化后，向消息寄存器中寫入要發(fā)送的消息，然后設(shè)置發(fā)送郵箱的TRS位為1，請求發(fā)送信息，等待傳輸響應(yīng)位TA=1，表示成功發(fā)送消息，最后清除發(fā)送響應(yīng)標(biāo)志位，等待下次發(fā)送信息。

接收消息的過程如圖5所示。接收消息時，同樣需要初始化相應(yīng)的接收郵箱，完成初始化后，如果接收郵箱的ID與CAN接口發(fā)送來的消息的ID匹配，并成功接收，則接收郵箱掛起寄存器RMP的相應(yīng)位被置1，當(dāng)CPU讀取完接收郵箱中的消息后，接收郵箱掛起寄存器的標(biāo)志位被清除，等待下一條消息的接收。

圖4　發(fā)送消息流程圖

圖5　接收消息流程圖

2．3應(yīng)用程序設(shè)計

系統(tǒng)中，TMS320F2812實現(xiàn)2個功能：實現(xiàn)USB與CAN之間雙向的消息傳輸；完成CAN控制器的初始化和輸出USB控制器所需要的信號。

圖6為消息由USB發(fā)向CAN的軟件流程圖。DSP采用查詢方式接收USB傳來的消息，當(dāng)USB芯片端點2不為空時，DSP就將該端點緩沖區(qū)的消息讀進來進行處理，否則一直等待。經(jīng)過處理后的消息放入到發(fā)送郵箱的緩沖區(qū)中，由CAN收發(fā)器發(fā)送給相應(yīng)的CAN節(jié)點。圖7為消息由CAN發(fā)向USB的軟件流程圖。DSP通過中斷方式接收CAN總線上的消息，當(dāng)中斷發(fā)生時，DSP響應(yīng)中斷，把存儲在接收郵箱緩沖區(qū)中的消息讀取出來，經(jīng)過處理后，發(fā)送給USB芯片端點6。當(dāng)USB芯片端點6不滿時，DSP就將消息放入端點6的緩沖區(qū)中，從而傳送給上位機，否則一直等待。

圖6　USB至CAN流程圖

圖7　CAN至USB流程圖

3　通信測試

系統(tǒng)測試如圖8所示。利用CAN調(diào)試器作為CAN總線接口的節(jié)點，與PCA82C250實時通信。PC通過Cypress USB Console界面向CAN節(jié)點發(fā)送消息并接收來自該節(jié)點的消息。USB接口工作在高速模式下，負責(zé)PC與DSP之間消息的傳輸。CAN收發(fā)器負責(zé)DSP與CAN節(jié)點之間消息的傳輸。首先，在固件程序中設(shè)置端點2是輸出，端點6是輸入。DSP中設(shè)置0號郵箱是發(fā)送，16號郵箱是接收。其次，通過USB界面把固件程序下載到CY7C68013中，并選擇CAN調(diào)試器的傳輸速率為800 kbit/s.

圖8系統(tǒng)測試方框圖

圖9USB Console發(fā)送消息界面

圖10CAN調(diào)試器接收消息界面

圖11CAN調(diào)試器發(fā)送消息界面

圖12USB Console接收消息界面

4　結(jié)束語

經(jīng)過多次測試，當(dāng)USB控制器工作在高速模式，CAN收發(fā)器工作在800 kbit/s的傳輸速率下，PC和CAN調(diào)試器均準(zhǔn)確的收到消息。系統(tǒng)將USB的快速傳輸消息的特點和CAN總線通信的高性能、高可靠性的優(yōu)點結(jié)合起來，通過硬件電路的設(shè)計以及相關(guān)程序的編寫，實現(xiàn)消息快速、可靠的傳輸。

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