基於ARM Cortex3的低功耗無源USB-CAN透明傳輸的實現

摘要：為了建立良好的CAN總線網絡通信人機界面，可以通過通信協議的轉換和數據的透明傳輸，使PC機通過USB接口接入CAN通信網絡，成為CAN總線網絡的一個通信節點，方便對CAN通信網絡的監控和管理。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201809/388545.htm

1 技術背景

近年來，隨著工業場合自動化技術的不斷更新，工業現場的數據採集、數據傳輸、設備控制已經成為電子工程師研究的重要課題。為了建立良好的CAN總線通信人機界面，可以通過通信協議的轉換和數據的透明傳輸，使PC機通過USB接口接入CAN通信網絡，成為CAN總線網絡的一個通信節點，方便對CAN通信網絡的監控和管理。本文介紹了基於ARM Cortex3的USB—CAN透明傳輸的一般思路和軟硬體設計方法。

1.1 CAN總線協議

CAN總線是一種現場總線協議，目前在國內已經得到了廣泛的應用和深入的研究。與其他工業現場總線相比，CAN總線具有通信速率高、容易實現、且性價比高等諸多優點，目前已經成為工業現場總線的一種重要標準，在工業現場受到了廣泛的應用，展現出強勁的市場競爭力。

CAN總線協議具有完整的解決工業現場通信的技術手段，其在技術運用中具有以下優勢：

(1)各類數據幀的建立方便，功能明晰。

(2)同一網絡內的節點數多，能夠滿足絕大多數工業現場通信網絡對節點數量的需求。

(3)成熟的節點標識符機制及總線結構，可滿足在各節點之間實現自由通信。

(4)信號的傳輸為差分方式，布線結構簡單，成本低廉。

(5)在保證傳輸速率的前提下具有較大的傳輸距離。

(6)控制晶片完全商品化，可靠性高。晶片內部集成了錯誤監測機制和管理模塊，具有極強的抗幹擾能力。

1.2 USB通信協議

USB的全稱為「通用串行總線」。是一個外部總線標準，用於規範PC機與外部設備的連接和通訊。其最大的特點是支持設備的即插即用和熱插拔功能。USB版本經歷了多年的發展，已經發展為3.1版本，成為當前PC機中的標準擴展接口。

USB總線的終端分為主機和設備。設備通過枚舉的方式與主機連接。USB支持四種基本的數據傳輸模式：控制傳輸，等時傳輸，中斷傳輸及數據塊傳輸。根據不同的用途，選擇不同的傳輸模式。根據工業場合CAN總線網絡中數據對象的特點，本項目中的USB—CAN透明傳輸卡將採用中斷的方式進行數據傳輸。

2 系統開發概述

2.1 本技術在CAN通信網絡中的運用

在CAN總線通信網絡中，各個通信節點通過總線的形式相連，USB—CAN透明傳輸卡的一端接入CAN總線，另外一端連接PC機。通過USB—CAN卡的透傳功能，PC機在CAN通信網絡中完全等同於一個普通的通信節點，實現了對網絡的監控和管理。

2.2 開發需求概述

本項目開發的上位機平臺是WINDOWS系統下的MDK開發編譯環境。硬體平臺為具有很強低功耗和處理能力的ARM Cortex3內核LM3S5956微處理器。為方便通信測試，上位機需要安裝相關數據監測軟體。

3 硬體設計

硬體結構框圖如圖1所示，主要分為微處理器、接口及電源三部分。

LM3S5956微處理器作為數據處理的核心部件，其功能就是將USB和CAN接口接收到的數據進行直接轉發，與其他處理器相比，該處理器內置CAN控制器和USB控制器，引腳較少，在保證低功耗的前提下具有較強的數據處理能力。

在接口方面，由於CAN總線物理層信號為差分的形式(CAN_H和CAN_L)，所以需要增加CAN物理層晶片(CAN收發器)來進行電平轉換，本項目所採用的CAN物理層晶片為TJA1040。USB總線為4芯，其中包含兩路信號線(USB-DP和USBDM)、+5 V電源和GND。

USB—CAN透明傳輸卡的供電方式是本項目設計的關鍵環節，PC機的USB總線中有兩路電源信號分別為+5 V和GND，通常可以提供的最大電流為500 mA，由於採用了低功耗微處理器和CAN收發器，500 mA的電流完全可以滿足USB—CAN透明傳輸卡的功耗需求，所以本項目通過從PC機的USB接口「取電」，達到了真正的「無源」方式，大大節省了USB-CAN透明傳輸卡的成本和體積，使用更加方便。由於LM3S5956微處理器採用3.3 V供電，所以只需要在電路設計中，增加一個5 V-3.3 V電源晶片即可。

由於採用了內置CAN控制器和USB控制器的低功耗ARM Cortex3微處理器和方便靈活的USB供電方式，整個USB—CAN透明傳輸卡的硬體非常小巧，在環境複雜的工業通信場合，具有很高的實用性。

4 軟體設計

4.1 CAN通信相關

4.1.1 LM3S5956微處理器的CAN控制器

LM3S5956微處理器內置了CAN控制器模塊，該模塊支持CAN 2.0 A/B協議。支持包括具有11位標識符(標準幀)或29位標識符(擴展幀)的數據幀、遠程幀、錯誤幀以及超載幀的報文傳輸。傳輸速率可以通過編程配置，CAN模塊主要由3個部件組成：

(1)CAN協議控制器和報文處理器

(2)報文存儲器

(3)CAN寄存器接口

協議控制器從CAN總線傳輸和接收串行數據，並將數據傳遞到報文處理器。接著，報文處理器根據當前的濾波和報文對象存儲器中的標識符，將該信息載入合適的報文對象。報文處理器還負責根據CAN總線上的事件來產生中斷。

報文對象存儲器由32個相同的存儲塊組成，這些存儲塊保存了每個報文對象當前的配置信息、狀態和實際數據。可以通過CAN報文對象寄存器接口來訪問報文對象存儲器。

CAN報文對象寄存器接口提供了兩個寄存器組來與報文對象通信。由於不能直接訪問報文對象存儲器，所以必須使用這兩個接口來讀寫各個報文對象。當多個對象包含需要處理的新信息時，這兩個報文對象接口允許並行訪問CAN控制器報文對象。

為滿足CAN2.0的基本通信，需要進行驅動程序和用戶應用程式兩個層次的程序設計。驅動程序主要包括數據結構的定義和API函數的設計。需要定義的數據結構有時鐘配置結構體和CAN消息對象結構體。本項目中需要完成的API函數有：波特率配置函數、波特率配置信息獲取函數、CAN控制器使能函數、CAN控制器關閉函數、CAN控制器初始化函數、CAN中斷使能函數、CAN中斷關閉函數、CAN中斷標誌清除函數、CAN中斷狀態獲取函數、報文對象清除函數、讀取報文對象函數、配置報文對象函數。應用程式主要包括CAN報文發送函數設計、CAN報文接收配置函數、CAN中斷服務函數設計。