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。