ＵＳＢ－ＣＡＮ協議轉換器的設計

摘要：根據汽車電子開發的需要，設計了基于Freescal公司MC9S08DZ60的USB-CAN總線協議轉換器，設計了協議轉換器的硬件電路和軟件，使用NI-VISA編寫了上位機的USB驅動程序。

關鍵詞：USB；CAN；協議轉換器；NI-VISA

1 引言

CAN網絡已經普遍應用到中高級車輛中，并且在低級車中的應用也不斷拓展。很多汽車電子模塊都需要通過CAN總線和其他模塊進行通信。在進行相關電子模塊的開發中，需要使用上位機中的監測、分析程序對CAN總線的數據進行分析，以便確定通信是否正常，發送的數據是否正確。這時就需要一個轉換器將CAN總線的數據轉換后提供給上位機以供分析。實際開發中一般使用普通PC機及筆記本電腦作上位機， PC機或筆記本提供的PCI、RS232及USB接口都可以比較方便的經過轉換器和CAN總線相連，由于USB的易擴展性、傳輸的快速性及熱插拔性，考慮到硬件資源、傳輸速率及現場調試的方便性，選用USB是最合適的。

2 硬件設計

系統硬件主要包括主控制器、USB接口芯片及CAN接口芯片；以這些芯片為核心組成相應的主控制電路、USB接口電路及CAN接口電路。下面分別介紹各電路的設計。

MCU選用Freescal的汽車級8位微控制器MC9S08DZ60（以下簡稱DZ60），DZ60的主要性能參數為：FLASH ROM :60K; RAM:4K; EEPROM：2K;VCC:+5V;外圍接口：IIC、SPI、SCI、MSCAN。MSCAN 是DZ60內部集成的CAN通信控制器，MSCAN 使用先進的緩沖器安排，實現了可預測的實時性，它支持 Bosch 規范CAN 2.0A/B 協議。這樣我們就不需要外接CAN控制器，既節約了硬件成本，又簡化了軟件設計。

USB 接口芯片一般分為兩大類：一種是芯片內部集成了微處理器的；一種是不帶微處理器的. 后一種接口芯片成本較低、選擇靈活方便、可靠性高. PDIUSBD12（以下簡稱為D12）就是一款不帶微處理器的性能優化的USB 接口器件，其通過高速并口和DMA傳輸與微控制器進行通行。它采用模塊化的方法實現USB接口，方便不帶USB接口的外設添加USB功能。D12完全符合USB1.1 規范. 對于我們的系統，USB1.1的速度完全滿足要求。

CAN通訊接口芯片選用ST公司的專用芯片L9616，此款芯片支持通用標準ISO/DIS 11898，速率可達1Mbps。

系統的硬件原理圖如圖2.1所示。

DZ60有兩個VDD和VSS，必須在每個VDD和VSS之間接入電容，以提高電源電壓的穩定性和抗干擾能力。本系統還設計了一個六針的在線編程接口，可以進行軟件的在線更新和升級。

在系統中D12與DZ60采用了單地址/數據總線連接方案。D12的并口和DZ60的PTD口連接，D12的RD_N（讀選通，低有效）和WR_N（寫選通，低有效）引腳分別連接到DZ60的PTG3和PTG4引腳，DZ60通過PTG3和PTG4發出讀寫命令來實現對D12的讀寫。 D12的地址位A0連接DZ60的RA0，A0=0時選擇命令，A0=1時選擇數據。INT_N是USB中斷請求腳，用來向微控制發出USB中斷請求。USB 設備有兩種供電方式：總線供電方式和自供電方式。 我們采用了總線供電方式， 這種方式減少了額外的電源電路設計，方便實用。

CAN接收器L9616的TXD和RXD分別和DZ60的TxCAN和RxCAN連接，進行數據的傳輸。C_H和C_L分別接到CAN網絡的CAN_H和CAN_L，R10是CAN網絡匹配電阻。

3軟件設計

系統的軟件設計包括三部分：轉換器軟件、上位機USB驅動程序及上位機數據監測分析程序的設計。

3.1轉換器軟件設計

主控制器的主要功能：一是對集成的CAN控制器和D12初始化，為數據傳輸做好準備；二是通過CAN接口和USB接口接收和輸出數據，以及對數據進行必要的轉換，使上位機能順利和目標系統進行數據通信。固件程序的設計還要考慮協調好USB接口電路和CAN接口電路，使系統在穩定、可靠的情況下，達到最大的傳輸速率；另外還要增加軟件系統的可擴展性和硬件無關性，方便以后的更新。

根據USB協議，任何傳輸都是從主機開始的，微控制器（這里是DZ60）等待主機的命令。通信時主機首先發令牌給D12，D12收到令牌后向DZ60發出中斷請求。DZ60收到中斷請求后進入中斷服務程序，讀取D12中斷寄存器并判斷令牌的類型，然后執行相應的操作。

由于DZ60內置了CAN控制器（MSCAN），并且MSCAN使用先進的緩沖器安排，實現了可預測的實時性，另外 Freescal提供了初始化和讀寫CAN數據的底層函數，我們只要在系統中調用相應的函數即可，這些都極大簡化了應用軟件的設計。

經過以上分析，我們知道固件的結構可以分為三部分：初始化、主循環和中斷服務程序。固件的程序流程圖如圖2.2所示。

3.2上位機USB驅動程序設計

一般所使用的USB設備都沒有現成的驅動程序，需要開發者根據系統硬件編寫相應得驅動程序。但是編寫驅動程序需要熟悉上位機操作系統的軟件編寫環境及和驅動相關的部分，這對于一般嵌入式領域的開發者來說有很大的難度，并且會消耗大量的時間。一個較好的解決方法是借助一些工具來開發USB驅動程序，這將會縮短開發時間，降低開發難度。Labwindows/CVI就是開發USB驅動的一個非常好的平臺，它是NI（National Instruments，美國國家儀器公司）推出的面向計算機測控領域的虛擬儀器軟件開發平臺，是一個基于標準c的開放的開發環境，很容易將開發的驅動程序集成到應用系統中。

從7.0版本新增的VISA包含有VISA驅動程序生成向導，更加方便了USB驅動程序的開發。利用VISA開發USB驅動主要是為系統創建INF文件，流程如下。在系統中安裝完NI_VISA后，從開始菜單中選擇程序>>National Instrument>> VISA >> VISA Driver Developer Wizard，進入驅動程序開發向導，這個向導可以為PXI/PCI或USB設備創建INF文件，在向導的第一個對話框中選中USB即開始創建USB的INF文件，后面按照向導的提示填入我們使用的USB設備的信息，將在所選擇的路徑下生成相應的INF文件。把生成的INF文件安裝就可以使用USB設備了。

USB設備啟動后，在應用程序中添加VISA的相關I/O接口軟件，就可以實現USB通訊了。主要函數介紹如下：函數ViOpenDefaultRM得到VISA資源管理器句柄；函數ViOpen打開USB設備句柄；函數ViSetAttribute設置發送和接收端點屬性；函數ViGetAttribute查看結果；函數ViRead和Viwrite進行讀寫數據；函數ViClose釋放儀器和資源管理器句柄。

3.3上位機數據監測分析程序的設計

上位機數據監測分析程序主要用來實時顯示數據的傳輸，根據需要保存數據，以便可以離線分析。

結論

采用基于NI-VISA驅動的USB接口使應用系統的設計非常容易，開發難度低，開發出的系統穩定可靠。采用基于Freescal的汽車級微控制器，提高了系統在惡劣環境下的穩定性。

參考文獻

[1] 周立功，等. PDIUSBD12 USB 固件編程與驅動開發[M] . 北京: 北京航空航天大學出版社，2003.

[2] Philips PDIUSBD12Product data Rev.0820[Z] December，2001.

[3] Philips Corp. Firmware programming guide for PDIUSBD12 version 1.0［Z］. Philips Corp. September 1998.