基于CAN控制器和USB接口芯片实现CAN-USB接口卡系统的软硬件设计

1. 引言

CAN以其优良的性能，广泛应用在嵌入式系统中，PC机有丰富的软件和强大的功能，在工业网络中，将PC机设计成CAN网络的一个节点，方便数据处理等。

CAN网络与PC机的连接可通过以下几种方式：1）CAN-RS232接口卡；2）CAN-PCI接口卡；3）CAN-USB接口卡。CAN-RS232接口卡速度太慢，且不支持热插拔；CAN-PCI接口卡虽然速度快，但不支持热插拔。而采用CAN-USB接口卡，不但速度快，而且支持热插拔，并且可以从系统中直接汲取电流而不需要外部供电。

文中所设计的CAN-USB接口卡，均采用SJA1000和PIDUSBD12， SJA1000为并行总线接口，与现在许多无外部总线的MCU不适应，PIDUSBD12也为并行总线接口，且与MCU的软件接口编写复杂，本文中设计的CAN-USB接口卡，USB接口芯片选择南京沁恒电子有限公司生产的CH375，该芯片支持全速设备接口USB V1.1，该公司提供了完善的USB驱动程序；并且该芯片内部集成了USB 接口SIE、数据缓冲区、被动并行接口、串行接口、命令解释器、控制传输的协议处理器、通用的固件程序等，这样，以CH375设计的USB设备，不需要详细了解USB 通讯协议，开发编程非常方便。CAN协议芯片选择MCP2510，该芯片采用SPI接口，连接方便，有3个发送缓冲区，2个接收缓冲区，宽工作电压，低功耗。

2. 系统硬件设计

设计CAN-USB接口卡，硬件方面需要USB接口芯片、CAN协议芯片和微处理器。系统的硬件框图见图1。

微处理器选择华邦公司的W78E516，该芯片与MCS-51系列单片机兼容，内部集成有64K的FLASH、看门狗、256字节辅助存储器，还支持在系统可编程（ISP）。

CH375与MCU的连接提供了并行接口和串行接口，本文采用了并行接口，W78E516与CH375的接口电路如图2所示。

由于CH375可输出复位信号，微处理器可利用此复位信号，从而不需要其它专门复位电路。设计中还必须注意，CH375的晶振频率必须为12MHz，笔者曾经接11.0592 MHz晶振时，系统不能正常工作，改为12MHz时，则可正常工作。

CAN协议芯片选择MCP2510，总线驱动器采用PCA82C250。设计如图3所示。如果要求CAN总线上各节点间电气隔离，可在MCP2510与PCA82C250之间加高速光隔离（如6N137）进行电气隔离。

3. 下位机程序设计

下位机程序的功能是，当接收到CAN报文，将此报文重新组成适合USB传输的数据包，并装载到USB的发送缓冲区，而当从USB接收到数据包，则将此数据包重新组成适合CAN传输的帧。

下位机程序设计采用Keil C进行设计，由于MCP2510是SPI接口，而W78E516没有SPI接口，故编写了专门操作SPI接口的程序。

设计中，CAN报文采用了标准11位ID，并且根据CAN帧格式，在单片机内存中，定义CAN报文发送缓冲区和接收缓冲区。

虽然CH375的端点每次最大可传输64字节，但为了设计方便，我们设计成每次只传输11个字节，用如下的结构体表示。

struct struct_USB

{

unsigned char USB_cmd;

unsigned char Dat［10］;

};

USB_cmd中指示每次数据包的含义，以方便PC机与单片机传递信息。Dat［10］为将传输到CAN总线上的数据，或从CAN总线上接收到的数据。

图4 程序流程图

为防止通讯接收溢出，在设计中，为CAN和USB定义了比较大的数据缓冲区，启用了W78E516芯片上的256字节辅助存储器，Keil C编译时配置存储器模式为Compact模式，但在设计中需要注意的是：main（）函数的语句中，必须先用赋值语句对寄存器CHPENR和CHPCON进行配置，启用W78E516芯片上的256字节辅助存储器，然后，才能执行函数调用语句，否则程序虽在编译时可通过，但运行时会出现错误。

4.上位机程序设计

上位机程序采用VB进行设计，由于沁恒公司为CH375提供了丰富的动态链接库（API函数），在程序设计时，只需声明和调用这些API函数，下面介绍编程注意事项。

在程序设计时，程序中调用CH375的第一个API函数应为CH375的设备开启函数，Declare Function CH375OpenDevice Lib “CH375DLL.DLL” （ByVal iIndex As Long） As Long，该函数的功能是打开CH375设备。关闭应用程序时，需调用设备关闭函数，Declare Sub CH375CloseDevice Lib “CH375DLL.DLL” （ByVal iIndex As Long），该函数的功能是关闭CH375设备。对于PC机向单片机发送数据和接收来自单片机的数据，只需调用相关的API函数即可。

编写完上位机程序，当CAN-USB接口卡通过USB连接线与PC机的USB接口相连之后，系统会检测到新硬件，此时，安装好驱动程序，就可以使用该设备。正常工作时，此卡中与CH375相连的LED亮。

5. 结论

采用CH375和MCP2510设计CAN-USB接口卡，给出了硬件电路图和软件流程图，相对于其它用SJA1000和PIDUSBD12设计的类似产品，本CAN-USB接口卡的硬件接口简洁，软件不需要编写USB固件程序，开发效率高，性能价格比高，在实际使用中，效果良好。另外，由于硬件上采用了独立的CAN控制器和USB接口芯片，软件采用C语言设计，所以移植到其它微处理器也比较方便。