基于ARM Cortex3的低功耗无源USB-CAN透明传输的实现（1） 人机界面, 数据采集, 工程师, 电子, 工业

我是MT

摘要：为了建立良好的CAN总线网络通信人机界面，可以通过通信协议的转换和数据的透明传输，使PC机通过USB接口接入CAN通信网络，成为CAN总线网络的一个通信节点，方便对CAN通信网络的监控和管理。
1 技术背景
近年来，随着工业场合自动化技术的不断更新，工业现场的数据采集、数据传输、设备控制已经成为电子工程师研究的重要课题。为了建立良好的CAN总线通信人机界面，可以通过通信协议的转换和数据的透明传输，使PC机通过USB接口接入CAN通信网络，成为CAN总线网络的一个通信节点，方便对CAN通信网络的监控和管理。本文介绍了基于ARM Cortex3的USB—CAN透明传输的一般思路和软硬件设计方法。
1.1 CAN总线协议
CAN总线是一种现场总线协议，目前在国内已经得到了广泛的应用和深入的研究。与其他工业现场总线相比，CAN总线具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多优点，目前已经成为工业现场总线的一种重要标准，在工业现场受到了广泛的应用，展现出强劲的市场竞争力。
CAN总线协议具有完整的解决工业现场通信的技术手段，其在技术运用中具有以下优势：
(1)各类数据帧的建立方便，功能明晰。
(2)同一网络内的节点数多，能够满足绝大多数工业现场通信网络对节点数量的需求。
(3)成熟的节点标识符机制及总线结构，可满足在各节点之间实现自由通信。
(4)信号的传输为差分方式，布线结构简单，成本低廉。
(5)在保证传输速率的前提下具有较大的传输距离。
(6)控制芯片完全商品化，可靠性高。芯片内部集成了错误监测机制和管理模块，具有极强的抗干扰能力。
1.2 USB通信协议
USB的全称为“通用串行总线”。是一个外部总线标准，用于规范PC机与外部设备的连接和通讯。其最大的特点是支持设备的即插即用和热插拔功能。USB版本经历了多年的发展，已经发展为3.1版本，成为当前PC机中的标准扩展接口。
USB总线的终端分为主机和设备。设备通过枚举的方式与主机连接。USB支持四种基本的数据传输模式：控制传输，等时传输，中断传输及数据块传输。根据不同的用途，选择不同的传输模式。根据工业场合CAN总线网络中数据对象的特点，本项目中的USB—CAN透明传输卡将采用中断的方式进行数据传输。
2 系统开发概述
2.1 本技术在CAN通信网络中的运用
在CAN总线通信网络中，各个通信节点通过总线的形式相连，USB—CAN透明传输卡的一端接入CAN总线，另外一端连接PC机。通过USB—CAN卡的透传功能，PC机在CAN通信网络中完全等同于一个普通的通信节点，实现了对网络的监控和管理。
2.2 开发需求概述
本项目开发的上位机平台是WINDOWS系统下的MDK开发编译环境。硬件平台为具有很强低功耗和处理能力的ARM Cortex3内核LM3S5956微处理器。为方便通信测试，上位机需要安装相关数据监测软件。
3 硬件设计
硬件结构框图如图1所示，主要分为微处理器、接口及电源三部分。
LM3S5956微处理器作为数据处理的核心部件，其功能就是将USB和CAN接口接收到的数据进行直接转发，与其他处理器相比，该处理器内置CAN控制器和USB控制器，引脚较少，在保证低功耗的前提下具有较强的数据处理能力。
在接口方面，由于CAN总线物理层信号为差分的形式(CAN_H和CAN_L)，所以需要增加CAN物理层芯片(CAN收发器)来进行电平转换，本项目所采用的CAN物理层芯片为TJA1040。USB总线为4芯，其中包含两路信号线(USB-DP和USBDM)、+5 V电源和GND。
USB—CAN透明传输卡的供电方式是本项目设计的关键环节，PC机的USB总线中有两路电源信号分别为+5 V和GND，通常可以提供的最大电流为500 mA，由于采用了低功耗微处理器和CAN收发器，500 mA的电流完全可以满足USB—CAN透明传输卡的功耗需求，所以本项目通过从PC机的USB接口“取电”，达到了真正的“无源”方式，大大节省了USB-CAN透明传输卡的成本和体积，使用更加方便。由于LM3S5956微处理器采用3.3 V供电，所以只需要在电路设计中，增加一个5 V-3.3 V电源芯片即可。
由于采用了内置CAN控制器和USB控制器的低功耗ARM Cortex3微处理器和方便灵活的USB供电方式，整个USB—CAN透明传输卡的硬件非常小巧，在环境复杂的工业通信场合，具有很高的实用性。
4 软件设计
4.1 CAN通信相关
4.1.1 LM3S5956微处理器的CAN控制器
LM3S5956微处理器内置了CAN控制器模块，该模块支持CAN 2.0 A/B协议。支持包括具有11位标识符(标准帧)或29位标识符(扩展帧)的数据帧、远程帧、错误帧以及超载帧的报文传输。传输速率可以通过编程配置，CAN模块主要由3个部件组成：
(1)CAN协议控制器和报文处理器
(2)报文存储器
(3)CAN寄存器接口
协议控制器从CAN总线传输和接收串行数据，并将数据传递到报文处理器。接着，报文处理器根据当前的滤波和报文对象存储器中的标识符，将该信息载入合适的报文对象。报文处理器还负责根据CAN总线上的事件来产生中断。
报文对象存储器由32个相同的存储块组成，这些存储块保存了每个报文对象当前的配置信息、状态和实际数据。可以通过CAN报文对象寄存器接口来访问报文对象存储器。
CAN报文对象寄存器接口提供了两个寄存器组来与报文对象通信。由于不能直接访问报文对象存储器，所以必须使用这两个接口来读写各个报文对象。当多个对象包含需要处理的新信息时，这两个报文对象接口允许并行访问CAN控制器报文对象。
为满足CAN2.0的基本通信，需要进行驱动程序和用户应用程序两个层次的程序设计。驱动程序主要包括数据结构的定义和API函数的设计。需要定义的数据结构有时钟配置结构体和CAN消息对象结构体。本项目中需要完成的API函数有：波特率配置函数、波特率配置信息获取函数、CAN控制器使能函数、CAN控制器关闭函数、CAN控制器初始化函数、CAN中断使能函数、CAN中断关闭函数、CAN中断标志清除函数、CAN中断状态获取函数、报文对象清除函数、读取报文对象函数、配置报文对象函数。应用程序主要包括CAN报文发送函数设计、CAN报文接收配置函数、CAN中断服务函数设计。