基于ARM7處理器LPC2119的USB-CAN轉換器設計

摘 要:敘述一種使用ARM7處理器實現USB接口與CAN總線的方案，通過其可以在PC實現對CAN總線上設備的監控。系統的主控制器為NXP公司的ARM處理器LPC2119，內部集成兩路獨立的CAN控制器。USB接口采用沁恒電子的CH375。描述了USB-CAN通信接口工作的基本原理及CAN總線與USB之間的硬件接口電路。同時，分析了固件編程及使用通用I/O模擬并口讀寫時序方法。關鍵詞:CAN總線; USB; LPC2119; CH375

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)22-0142-03

Design of USB-CAN Converter Based on LPC2119 of ARM7 Processor

GAO Min

(Department of Applied Electronics， Jiangsu Nantong Commercial Vocational College， Nantong 226007， China)

Abstract: A scheme of using ARM7 processor to realize the USB interface and CAN bus is introduced， which can monitor the devices of CAN bus on PC. The system's main controller is ARM processor LPC2119 produced by NXP， which integrated two independent CAN controllers. USB interface circuit adopts QinHeng Electronics CH375. The basic principles about the USB-CAN communication interface and the hardware interface circuit between CAN and USB are described. At the same time， the method of the firmware programming and the use of general-purpose I/O port to simulate parallel read /write timing are analyzed.Keywords: CAN Bus; USB; LPC2119; CH375

0 引 言

控制器局域網(controller area network，CAN)是20世紀80年代德國BOSCH公司為現代汽車應用而推出的一種多主機局部網，由于CAN總線具有可靠性高、功能完善、成本合理、實時性等優點，CAN總線早已不再局限于汽車行業，而被廣泛應用于各個自動化控制系統中，例如汽車電子、工業控制、智能大廈、安防監控、環境控制等。目前CAN總線是國際上應用最廣泛的現場總線之一[1-2]。

通用串行總線(universal serial bus，USB)作為一種協議規范，是以Intel為首的7家計算機及通信產業廠商公司于1994年11月共同提出，其除具有使用方便(即插即用)、功耗低、數據傳輸率高等優點外，還具有軟硬件支持廣泛、功耗低、硬件結構標準化和總線拓撲結構完備等特點。目前在以計算機為上位機的應用領域，都首選USB口作為計算機與外設的接口[3]。

為了更好的將USB的通用性和CAN的專業性結合起來，通過計算機的USB接口接入CAN專業網絡，實現系統控制的便利性和應用的高效性，本文講述了一種基于ARM7處理器實現USB接口與CAN總線的實例，通過其可以在PC實現對CAN總線上設備的監控。

1 硬件系統設計

1.1 處理器簡介及其外圍電路設計

主控制器選用NXP公司的ARM7核處理器LPC2119。LPC2119是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM CPU，并帶有128 KB嵌入的高速FLASH存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過30%，而性能的損失卻很小。實行流水線作業，提供Embedded ICE邏輯，支持片上斷點和調試點，具有先進的軟件開發和調試環境。 LPC2119具有非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路10位ADC、2路CAN、PWM通道、多個串行接口，包括2個16C550工業標準UART、高速I2C接口(400 kHz)和2個SPI接口，46個GPIO以及多達9個外部中斷，特別適用于汽車、工業控制應用以及醫療系統和容錯維護總線[4]。

LPC2119內部集成2個CAN控制器，每一個CAN控制器都與獨立CAN控制器SJA1000有著相似的寄存器結構。它的主要特性有:單個總線上的數據傳輸速率高達1 Mb/s;32位寄存器和RAM訪問;兼容CAN2.0B，ISO11898-1規范;全局驗收濾波器可以識別所有的11位和29位標識符;驗收濾波器為選擇的標準標識符提供Full CAN-style自動接收。圖1所示為LPC2119外圍電路，為保證可靠復位，采用外部復位電路STM809[5]。

圖1 LPC2119外圍電路

1.2 USB接口電路設計

USB接口采用沁恒電子的CH375。CH375 是一個USB總線的通用接口芯片，支持USB-HOST主機方式和USB-DEVICE/SLAVE 設備方式。在本地端，CH375 具有8 位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機/DSP/MCU/MPU等控制器的系統總線上。CH375提供了串行通信方式，通過串行輸入、串行輸出和中斷輸出與單片機/DSP/MCU/MPU 等相連接。圖2所示為CH375的接口電路[6]。

1.3 CAN總線接口電路設計

CAN總線收發器采用82C250，并選用6N137作隔離，LPC2119的TD和RD引腳不是直接與82C250的TX、RX引腳相連，而是通過高速光耦6N137與82C250相連，這樣可增強CAN總線節點的抗干擾能力，從而實現總線各節點間電氣隔離。高速光耦6N137用于保護LPC2119內部CAN總線控制器，該光耦兩側采用5 V的DC-DC電源，可使器件的VCC與VCCl完全隔離，提高系統的抗干擾能力以及節點的穩定性和安全性。圖3所示為LPC2119與CAN驅動器82C250的連接電路。DC-DC電源模塊采用B0505LS-2W，電路在圖4中所示[7-8]。

圖2 CH375的接口電路

1.4 系統電源設計

整個電路的電源由USB供電，由于LPC2119的IO電路電源要求為3.3 V，內核電路電源要求為1.8 V，在本應用中采用兩片低壓差線性溫壓器(LDO)1117為系統供電，如圖4所示。

圖3 CAN驅動器82C250的連接電路

圖4 DC-DC隔離電源

1.5 系統PCB設計

整個系統的PCB采用雙面板方式設計，大小為100×120，布局及外形如圖5所示。

2 固件設計

本系統軟件設計時采用μVision3 IDE， μVision3 IDE是一個窗口化的軟件開發平臺，它集成了功能強大的編輯器、工程管理器以及各種編譯工具(包括C編譯器、宏匯編器、鏈接/裝載器和16進制文件轉換器)，通過ULINK仿真調試。程序框架采用傳統的前后臺方式。CAN控制器驅動程序包括4部分內容:CAN控制器的初始化、報文的接收、報文的發送和總線異常處理。由于LPC2119沒有開發內部讀寫總線，本設計在對CH375操作時使用通用I/O模擬并口讀寫時序，其端口定義方式如下:

#defineD7_D0(uint32)(0xFF<<0)/*P2.0--P2.7*/

#defineCH375_CS(uint32)(1<<24)/*P1.24為CH375 CS*/

#defineCH375_A0(uint32)(1<<16)/*P1.16為CH375 A0*/

#defineCH375_WR(uint32)(1<<19)/*P1.19為CH375 WR*/

#defineCH375_RD (uint32)(1<<21)/*P1.21為CH375 RD*/

#defineCH375_RST(uint32)(1<<23)/*P1.23為CH375 RD*/

#defineCH375_INT(uint32)(1<<16)/*P0.16為CH375 INT*/

程序在使用通用I/O模擬并口讀寫時序對CH375的基本操作包括CPU端口初始化、向CH375寫命令、向CH375寫數據、從CH375讀數據，其實現過程包含:初始化void CH375_PORT_INIT( );向CH375寫命令 void xWriteCH375Cmd(uint8 mCmd);向CH375寫數據void xWriteCH375Data(uint8 mData);從CH375讀數據uint8 xReadCH375Data(void)等4個基本函數[9-10]。

圖5 PCB布局及外形

3 結 語

本系統設計采用內置CAN控制器的LPC2119作為主控制器，CH375作為USB接口芯片，實現USB-CAN轉換器，論述了LPC2119的外圍電路、CAN總線驅動電路以及LPC2119與CH375之間的接口連接，并在軟件給出LPC2119使用通用I/O模擬并口讀寫時序的方法，對LPC2119，CH375及CAN總線的實際應用具有一定的參考價值。

參考文獻

[1]饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社，2003.

[2]李正軍.現場總線與工業以太網及其應用系統設計[M].北京:人民郵電出版社，2006.

[3]李英偉，王成儒，練秋生.USB2.0原理與工程開發[M].2版.北京:國防工業出版社，2007.

[4]Philips Semiconductors. LPC2119/2129/2194/2292/2294 user manual [EB/OL].[2004-05-03].http://scholar.google.com.

[5]周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京:北京航空航天大學出版社，2005.

[6]南京沁恒電子有限公司.CH375中文說明[EB OL].[2007-08-13].http://www.wch.cn.

[7]Toshiba Semiconductor.6N137 IRED PHOTO IC 數據手冊[EB/OL].[1998-02-27].http://citeseerx.ist.psu.edu.

[8]Philips Semiconductors. PCA82C250 CAN controller interface datasheet [EB/OL].[2000-01-13].http://ieeexplore.ieee.org.

[9]Keil Company. LPC21XX_INSIDERSGUIDE.ZIP [CP/OL].[2005-03-21].http://www.keil.com.

[10]南京沁恒電子有限公司.CH372評估板說明及相關例子程序[CP/OL].[2005-03-21].http://www.wch.cn.