基于TMS320F2812和USB100的CAN-USB总线通信系统设计

摘要：介绍了一种基于DSP的CAN控制器和USB芯片的USB总线和CAN总线的通信模块的设计，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USB100芯片可在不了解任何USB协议的情况下，完成计算机RS 232串口升级为USB接口，同时CAN接口采用DSP片上CAN控制器，硬件设计极为简单。在DSP的控制下，PC机与CAN节点可以双向通信，通信波特率可高达1 Mb／s，传输数据稳定，可靠。实验证明，运用TMS320F2812片上eCAN模块来构成CAN总线通信系统更为简单，实用。
关键词：USB；CAN总线；eCAN；TMS320F2812

0 引言
    随着计算机技术的飞速发展，全电子的计算机连锁控制系统由上位机，联锁机和智能执行单元三层结构组成。本文所介绍的模块正是在此背景下为数据通信进行服务的。CAN总线是目前为止唯一有国际标准的现场总线，由于采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性，实时性和灵活性，其应用范围目前已不再局限于最初的汽车行业，而扩展到了机械工业包括数控机床，医疗器械，家用电器等领域。USB接口速度快、连线简单和即插即用的特性是与上位机通讯非常好的外设接口。因此，基于USB接口实现CAN总线与PC机之间数据通信的研究具有一定的应用意义。

1 系统结构
    本系统主要是由USB接口和CAN接口等模块组成，其中微处理器TMS320F2812控制全局，实现通过USB接口将CAN总线数据传送给PC机，以及通过USB接口将PC机数据传送给CAN节点的双向通信功能。传统的CAN总线通信模块一般要用到独立的CAN控制器芯片，本系统微处理器F2812片上带有eCAN模块，设计时较为方便，下面简要介绍eCAN模块。
    eCAN模块是TMS320F2812 DSP片上的增强型CAN控制器，其性能较之已有的DSP内嵌CAN控制器有较大的提高，数据传输更加灵活方便，数据量更大、可靠性更高、功能更加完备。eCAN模块它完全兼容CAN2．0B协议，可以在有干扰的环境里使用上述协议与其他控制器串行通信。除具有一般DSP内嵌CAN控制器的所有功能外，与TMS320LF240x系列DSP的CAN模块相比，它主要具有如下的一些增强特性：增加了邮箱数量，多达32个；eCAN是一个32位的高级CAN控制器；具有时间标识；具有超时功能。
    以上这些增强特性使得TMS320F2812进行CAN通信时，传输更加方便灵活、数据量更大、功能更完备。图1为系统结构图。

2 系统硬件设计
2．1 USB模块的硬件设计
    本系统USB接口模块采用USB100模块作为主控芯片。USB100模块是USB通用设备接口芯片，具有8位数据总线接口，内部多达384 B的发送缓冲区和128 B的接收缓冲区，数据通信速率最高可达8 Mb／s，USB100模块读写数据分别由RD和WR2个引脚控制，相当于有读写2个地址，因此将这两个地址映射到F2812外设接口的区域xzcs01中，0x2000作为写地址，0x4000作为读地址，通过XA13，XA14，XZCS01，XWE，XRD5个管脚进行译码，即可方便地控制USB模块的数据收发。选用altera公司的CPLD芯片EPM7032作为译码器件，可以进行在系统编程操作，其中上述5个管脚作为CPLD的输入引脚，CPLD2个输出引脚分别接至USB100模块的RD和WR两个引脚。由于USB100模块是5 V供电，F2812是3．3 V供电，所以8位数据总线通过电平转换器件741vc4245相连，数据方向由F2812的XR／W控制。根据USB100模块时序图，当F2812检测到USB100模块TXE引脚为低时，表示内部发送缓冲区允许发送数据到USB端口，可以将数据通过八位总线发给USB100模块；当F2812检测到USB100模块RXF为低时，表示内部发送缓冲区有来自USB端口的数据。
2．2 eCAN模块应用设计
    由于采用TMS320F2812片上增强型控制器eCAN，所以CAN模块硬件电路极为简单，只需将F2812的RX和TX引脚经过电平转换器件连接至CAN收发器PCA82C250的TXD和RXD引脚，并以F2812作为CAN总线系统的微处理器，进行实时数据收发。其硬件系统分为2层：第一层，CAN总线与F2812接口层；第二层，F2812与外围器件的信息处理。CAN收发器采用低廉的PCA82C250，系统的扩展性强，至少可连接110个节点，其引脚8(Rs)用于选择工作模式，高速工作时上接一个斜率电阻，根据总线通信速度可适当调整，一般在16～140 Kb／s之间。

3 系统软件设计
3．1 DSP程序设计
    本系统中，微处理器TMS320F2812主要完成2个功能：一是对eCAN控制器进行初始化；二是完成上位机USB接口和下位机CAN接口的数据通信。USB接口通信通过查询USB100的TXE和RXF引脚的状态来完成上位机与微处理器F2812的数据交换，CAN接口的通信主要包括eCAN模块的消息发送和接收。
    F2812上电复位后，必须对软件进行初始化，其中最重要的是对eCAN模块初始化。消息发送时，需要初始化发送邮箱，包括向寄存器CANME使能相应邮箱、设置CANMD方向、通过MBOXn．MSGID(n=O～31)设置发送邮箱的ID等操作，初始化后向消息数据寄存器ECanaMboxes．Mboxn．MDR写入上位机USB接口发送的数据，然后设置EcanaRegs．CANTRS．bit．TRSn为1请求发送消息，等待传输响应位TA=1，表示消息成功发送，并产生发送中断，本系统通过发送中断子程序统计发送消息个数。消息接收时，同样需要初始化相应的接收邮箱，完成初始化后，当下位机通过CAN接口发送数据时，如果eCAN模块的接收邮箱的ID与下位机消息的ID匹配，并成功接收，则相应的接收消息挂起寄存器(CANRMP)的相应位被置1；若CPU开放了eCAN接收中断，则同时也产生接收消息中断，在接收中断子程序，可以将相应的消息数据寄存器的内容发给USB100模块的写地址，同时需要查询USB100的TXE端是否允许向USB端口发送数据。
    上位机通过USB接口发送数据，下位机通过CAN接口接收数据基本步骤为：
    (1)F2812初始化通用IO口以及eCAN控制器；
    (2)F2812检测USB模块是否有来自上位机的数据；
    (3)若有，将数据读入配置好的eCAN发送邮箱；
    (4)启动配置好的eCAN发送邮箱；
    (5)当邮箱发送消息给下位机成功后，会进入eCAN发送中断程序；
    (6)清除相应标志后退出中断程序，继续等待上位机发送数据。
    上位机通过USB接口接收数据，下位机通过CAN接口发送数据基本步骤为：
    (1)F2812初始化通用IO口以及eCAN控制器；
    (2)当下位机通过CAN接口发送数据时，根据邮箱标识符，已配置好的eCAN接收邮箱收到下位机数据，同时进入eCAN接收中断子程序；
    (3)F2812检测USB模块内部缓冲区是否允许向上位机发送数据，若禁止，则等待；
    (4)若允许向上位机发送数据，则将数据写入上位机；
    (5)清除相应标志后退出中断程序，继续等待下位机发送数据。图2为系统软件流程图。

3．2 上位机软件编写
    采用NI公司的LABWINDOWS／CVI8．0进行上位机控制界面设计，实现通过PC机发送和接收CAN总线系统的数据的功能。
    由于USB100模块将USB接口虚拟成了RS 232标准的串口，程序要实现的任务是调用WINDOWS下串口函数，使得用户在CVI的界面下完成PC机数据的收发。该系统与PC机之间的通信主要通过调用LABWINDOWS／CVI函数库中提供的RS 232函数库，这几个函数在设计驱动程序中具体实现。主要的函数有：配置串口函数：int OpenComConfig(int COMPort，char deviceName[]，long baudRate，int parity，int dataBits，int stopBits，int inputQueueSize，int outputQueueSize)；将字节写入指定端口函数：int ComWrt(int COMPort，char buffer[]，int count)；从指定端口读入字节函数：int ComRd(int COMPort，char buffer[]，int count)；在PC机上通过相应控件启动相应端口函数，使得数据通过USB接口发送。

4 通信测试
    系统测试时，利用CAN调试器作为一个CAN节点，并利用调试器自带的调试软件在下位机上显示。
    首先，进行上位机通过USB接口发送数据，下位机通过CAN接口接收数据实验，CAN节点设置为扩展帧，帧格式为数据帧，帧ID为0x000000 82，下位机CAN调试软件以十六进制接收数据，发送的是字符‘1’、‘2’、‘3’、‘4’、‘5’，下位机接收到的是对应的ASCII码值0x31～0x35，以十六进制显示。
    然后，进行下位机通过CAN接口发送数据，上位机通过USB口接收数据实验，CAN节点设置不变，发送的数据是0x31～0x35五个数据，上位机收到的是‘1’～‘5’五个字符。具体测试界面见图3和图4。

5 结语
    设计了一套USB-CAN总线通信模块，其中CAN控制器特别的使用了F2812内嵌eCAN模块，在实际应用中，该通信部分能有效，及时的与系统其他节点进行通信，较为有效地将DSP的高速处理能力和CAN总线的优良特性结合起来，并且硬件电路设计更为简单实用，采用C语言编程，提高了程序的可维护性，大大缩短了研发周期。