基于ARM7的CAN-USB转换器设计

引言

　　ABS(防抱死刹车系统)ECU(电控单元)在研发过程中，为了实时确定其行车参数和控制参数，通常会使用标定技术，标定技术就是通过一定的命令对ECU上传和读取控制算法参数，以达到对其实时修改以寻求最优的技术。

       对于车载电控单元来说，其通常只有CAN总线通信接口，为了能实现上位机和ECU能直接进行通信，实现利用标定技术对ABS ECU 进行开发，我们设计了一款能实现CAN到USB的数据转换器。

       CAN通信协议是一种用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。而USB具有即插即用的优点，并且有较高的通信速率，对于实现上位机和下位机的通信进行标定十分方便。我们设计的数据转换器采用了NXP公司的LPC2119 ARM7处理器，通过它成功地实现上位机和ECU的可靠通信和对下位机的标定。

　　系统硬件设计

　　LPC2119 ARM7处理器

　　LPC2119是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32 ARM7 TDMI-S CPU 的微控制器，并带有128/256kB嵌入的高速Flash 存储器。128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 位代码能够在最大时钟速率下运行。

　　USB转换芯片CH372

　　CH372 是一个USB 总线的通用设备接口芯片，在本地端，CH372 具有8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到控制器的系统总线上; CH372 内置了USB 通讯中的底层协议，在内置固件模式下，CH372自动处理默认端点0 的所有事务。

　　系统设计

　　转换器直接使用USB的5V供电，使用了LM1117将5V电源转换成3.3V和1.8V以供ARM处理器及其外围模块使用，对于CAN控制器输出的逻辑电平用TJA1050转换成差分电平输出CH372的设计十分重要，外接电容用于CH372 内外部电源节点去耦。在LPC2119的各电压引脚分别接了0.01mf的电容进行滤波。在USB转换芯片的设计中，可选4.7kW电阻用于在电源断电后将电解电容中的电能及时释放掉，使VCC 及时下降到0V，确保在下次通电时CH372 能够可靠地上电复位。为使CH372 能够可靠复位，电源电压从0V 上升到5V 的上升时间应该少于100ms，所以电容的容量和电阻的阻值都不能太大。用15pF 的独石或高频瓷片电容作为CH372的时钟振荡电路的起振电容。

　　系统硬件设计部分框图如图1。

 

图1   转换器框图

　　系统软件设计

　　系统程序主要包括CAN控制器驱动程序，USB控制芯片CH372驱动程序，数据读写缓冲区的设计，以及如何调用CAN和USB的读写函数使数据的通信更好的同步。

　　CAN驱动程序

　　根据LPC2119微处理器CAN 控制器的特性，将CAN 的驱动程序分为3 个层次：

       1.硬件抽象层：将CAN 控制器的硬件特性用数据类型进行抽象，并提供CAN 控制器硬件操作的接口。对物理层的寄存器和相应地址影射，定义了CAN 控制器寄存器的数据类型和对寄存器的操作方法。

       2.功能函数层：CAN 控制器各种功能的实现函数，该层的函数利用硬件抽象层中对寄存器操作的接口来访问CAN 控制器来实现各种CAN 控制器所能提供的功能。

       3.应用程序接口层：在该层中的主要提供给3 个函数，初始化CAN 控制器CANinit()、发送数据CANSendData()、接收数据CANRecieveData()。

　　CH372驱动程序

　　CH372 芯片在本地端提供了通用的被动并行接口。CH372 芯片的读写时序主要要求读写使能信号有一个2~10ms的持续时间，并且在a0=1时写入命令，a0=0时读写数据。在本设计中，用LPC2119的IO口来表示CH372的各信号，并需要严格按照其时序要求用软件模拟其读写时序，一个典型的写数据子函数如下：

　　USBWriteData(uint32 Data)

　　{

　　………………………

　　IO0CLR=0x00000010; //a0=0,表示以下

　　写入为数据

　　IO0PIN=Data; //向数据端口写入数据

　　IO0SET=0x00000020; //rd=1，读信号无效

　　IO0CLR=0x00000040; //wr=0，写使能

　　Delay8us(1); //延时8us，表示写信号

　　有效宽度

　　IO0SET=0x00000060;

　　…………………………

　　}

　　在以上程序中，对各端口的操作先后代表了CH372的读写时序信号的先后，适当的延时表示有效的写/读选通脉冲WR/RD的宽度，其典型值为90到10000ns，我们选择25ms。同理可得写命令，读数据子函数：USBWriteCMD (uint32 CMD)，USBReadData( )。调用以上子函数提供了发送和接收数据的函数： IRQ_CH372(void), UploadUSBData(unint32 Length,uint32 Data[])。

　　环形缓冲区

　　在本设计中，设计了两个环形缓冲区，分别存放USB及CAN的数据，使其能同步发送，一个典型的缓冲区数据结构如下：

　　struct CANRecRinBuf

　　{

　　Uint32 CANBuf[MAX];

　　Uint32 WritePtr;

　　Uint32 ReadPtr;

　　}

　　数据元素是无符号32位整数，MAX为环形缓冲区最大长度，WritePtr为读指针，ReadPtr为写指针。读写指针初始化为WritePtr = ReadPtr =0。通过CAN控制器接受的数据存放在环形缓冲区CANRecRinBuf中，再读出数据从USB端输出，保证了数据通信的可靠性。

　　上位机监控界面

　　安装CH372的上位机驱动后，基于CH372的USB设备就可以被上位机识别了。调用CH372提供的动态连接库CH372.dll及其相应的LIB文件CH372.Lib和头文件CH372.h，以建立上位机的工序，调用CH372提供的库函数CH375OpenDevice()、CH375CloseDevice()，用于打开和关闭设备，调用CH375WriteData(); CH375ReadData()接收下位机通过CH372发送上来的数据，并根据CAN总线数据的格式将其封装成CAN格式的数据，提供对CAN数据的收发CANDownload()，CANUpload()。用C++设计相应的图形界面以实现和下位机的通信。

　　结语

　　在ABS ECU的研发项目中，我们使用了此转换器将ECU的CAN数据转换成USB数据和上位机通信，ECU上传需监控参数，上位机下传标定参数。其硬件上使用ARM7内核的LPC2119作为控制器，以及底层软件的设计确保了转换器在实际的ECU开发的CCP标定的工程中，在大量数据进行传输的过程中有较好的可靠性。