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1、USB-CAN总线适配器的研究与设计摘 要随着现场总线技术和计算机外设接口技术的发展，USB及CAN总线技术在日常生活中显得越来越重要。本文给出了基于PIC32微控制器的USB/CAN总线适配器，用于实现CAN总线网路与PC机互连。本课题是研究和设计基于PIC32微控制器的USB/CAN总线适配器，用于实现CAN总线网路与PC机互连。其关键之处是USB/CAN总线适配器的设计。采用高端芯片PIC32MX575F512L单片机来实现数据的转换。接口USB接口接收数据，通过适配器转换数据，再由CAN收发器发送到PC机。本设计整体把握所需芯片的原理、功能、特点、用途并对其进行详细的阐述。其次对硬件电
2、路部分设计，包括电源电路，调试电路，复位电路，单片机接口电路的设计。最后实现适配器的转换。关键词：现场总线，USB接口，单片机USB-CAN bus adapter for Research and Design Abstract As fieldbus technology and computer peripheral interface technology, USB and CAN bus technology is increasingly important in everyday life. In this paper, based on the PIC32 microcontr
3、oller USB / CAN bus adapter for the realization of PC-CAN-bus network and interconnection.This topic is to study and design of micro-controller based PIC32 USB / CAN bus adapter for the realization of PC-CAN-bus network and interconnection. The key point is the USB / CAN Bus Adapter. Used to achieve
4、 high-end microcontroller chip PIC32MX575F512L data conversion. Interface USB interface to receive data through the adapter convert the data sent by the CAN transceiver to the PC. Overall grasp of the design principles required for the chip, functions, features, uses, and its conduct in detail. Seco
5、nd, some of the hardware circuit design, including power supply circuit, debug circuit, reset circuit, MCU interface circuit design. The final realization of the conversion adapter. Key words Field bus, USB interface, SCM 1 绪论1.1 研究的目的和意义虽着信息技术的飞速发展，各种数据的实时采集和处理在现代工业控制中已成为必不可少的部分。这要求我们设计的接口简单灵活且具有较高
6、的数据传输率。现场总线作为二十世纪80年代发展起来的新兴技术，在工业现场已有了广泛的应用。在比较有影响力的几种现场总线中，CAN总线以其突出的优点不仅大量应用于工业现场，而且在楼宇自动化、智能终端设备等民用领域也有了长足的发展。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线网络技术的实现需要与计算机相结合，它是计算机技术、通信技术和控制技术高度综合与集成的产物，是一种开放式和分布式的新模式1。以往CAN总线网络与计算机的连接采用RS232、ISA或PCI接口。但是随着计算机接口技术的发展，ISA接口已经逐渐被淘汰；RS232接口数据传输率太低；PCI虽
7、然仍是高速外设与计算机接口的主要渠道，但其主要缺点是占用有限的系统资源、设计复 杂、需有高质量的驱动程序保证系统的稳定，且无法用于便携式计算机的扩展2。随着USB1.1、USB2.0规范的相继制定，为外设与计算机的接口提出了新的发展方向。USB的主要特点有：外设安装简单，可实现热插拨；通讯速率高，USB1.1全速传送速率为12Mbps，与标准串行端口相比，大约快100倍；支持多设备连接；提供内置电源。如何将其与PC机安全可靠低成本的互连，让PC机提供系统与网络之间的网络连接及传输数据是一个亟待解决的问题。例如，系统监控环境条件，通过USB连接把数据传给PC机，PC机作为一个显示读数的网站。传统
8、的外设与主机的通信接口难以满足上述要求。这些接口一般采用PCI总线或RS-232串行总线。PCI总线虽然有很高的传输率（可达132Mbps），但是它们的扩充槽相当有限，且设计复杂。RS-232串行总线连接方便，可是它的带宽非常有限，传输速度慢。USB技术正是顺应这一要求提出的一种传输速度快、灵活(4种传输类型：控制、块、中断、等时传输和3种传输速度，可适用于多种外设)、易于使用(自动配置，即插即用，可进行热插拔)、双向、同步传输的通用串行总线。它还提供了内置电源，可向低压设备提供5伏的电源。正是由于USB的这些特点，使其获得了广泛的应用。随着PC的发展，USB总线已成为PC的主要接口标准，将逐
9、渐取代其他传统接口3。如果将接口设计成为CAN监控网络接口的一种，将极大地方便CAN总线的应用。 CAN总线是现场总线的一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，具有卓越的特性和极高的可靠性，有传输距离远、传输速率高、抗干扰能力强、易于组网、成本低等优点，特别适合工业过程监控设备的互连，被公认为几种最有前途的现场设备总线之一，获得了国内外控制领域的普遍重视。德国现代汽车公司和欧洲其他几个主要汽车公司的车内控制系统全部采用CAN总线。整个系统设计目的就是设计一个适配器，可以将CAN总线数据通过USB接口迅速转送到PC机进行处理分析，也可以通过它向CAN节点传送数据或命令，以实现计算机与现场
10、设备的通讯4。USB(Universal Serial Bus)是一种通用串行总线。随着计算机技术的发展和广泛应用，人们对串行总线提出了更高的要求。因此，开发一种兼容低速和高速的技术，从而为广大用户提供一种可共享、可扩充、使用方便的串行总线已成为众多厂商的共同目标。USB总线就是一种新型、快速、双向、同步传输、并可以热插拔的数据传输总线，它满足了人们对总线易用性、扩展能力强和低成本的要求，因此，USB在PC外设领域的传输速率从1.5Mbps的低速和12 Mbps的全速提高到如今的480 Mbps的高速数据传输。目前，USB总线已经逐渐成为计算机领域中应用最广泛的外设总线连接规范5。与此同时CA
11、N(Controller Area Network)总线技术也日趋成熟，它的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络，广泛应用于控制系统中的各监测和执行机构之间的数据通信。目前，德国现代汽车公司和欧洲其他几个主要汽车公司的车内控制系统全部采用CAN总线，国内的很多工业控制系统，(如车载控制系统、医疗控制系统和很多智能小区中的智能控制系统)都采用了CAN总线技术。随着更加完善的CAN2.0B协议的提出，国外已有专家提出预言，CAN总线的应用寿命至少还有二十年6。虽然上述两种总线的特点都比较突出，但二者在控制领域的应用仍有其自身局限性。USB的传输距离通常不超过几十米，经常达不到工业应用的要求；
12、而CAN适配器与主机在传统接口上的连接十分繁琐和复杂，不利于CAN的应用扩展。在数据交换量越来越大的今天，传统的外设接口RS232，RS485逐渐感到力不从心为了缓解该矛盾各厂家纷纷推出相应的解决方案，将传输距离较远的CAN总线技术与即插即用的USB接口技术相结合，即利用USB接口方便的实现CAN总线和主机的连接，从而有力的扩展了CAN总线的监控和管理功能，扩大CAN总线的应用范围7。1.2 国内外发展现状及趋势CAN-BUS（Controller Area Network）即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。起先CAN-BUS 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控
13、制装置ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中均嵌入CAN 控制装置。如今CAN-BUS作为一种多主方式的串行通讯总线,基本设计规范要求有高的位速率、高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km 时,CAN-BUS仍可提供高达5Kbps 的数据传输速率。由于CAN 串行通讯总线具有这些特性,它很自然地在汽车制造业以及航空工业中受到广泛应用8。 作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，CAN-BUS必将越来越广泛地应用到各个自动化控制系统中。例如，在汽车电子、自动控制、智能大
14、厦、电力系统、安防监控等各领域，CAN-BUS都具有不可比拟的优越性9。通用串行总线USB(Universal Serial Bus)是 Inter、Microsoft等大厂商为解决计算机外设种类的日益增加与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而于1995年提出制定的。它是一种用于将适用USB的外围设备连接到主机的外部总线结构，主要用在中速和低速的外设10。USB同时又是一种通信协议，支持主机和USB的外围设备之间的数据传输。目前较多设备支持的是USB1.1，最新的USB2.0已于2004年正式发布。USB设备具有较高的数据传输率、使用灵活、易扩展等优点。USB1.1有全速和低速两种方式，低速方式的
15、速率为1.5Mbps，支持一些不需要很大数据吞吐量和很高实时性的设备，如鼠标等；全速模式为12Mbps，可以外接速率更高的外设。在刚刚发布的USB2.0中，增加了一种高速方式，数据传输率达到480bps，可以满足更加高速的外设的需要。安装USB设备不必打开主机箱，它支持即插即用和热插拔。当插入USB设备的时候，主机检测该外设并且通过自动加载相关的驱动程序来对该设备进行配置，并使其正常工作11。USB及CAN总线是两种当今在各自的领域内应用十分广泛的串行总线标准，其中通用串行总线USB(Universal Serial Bus)是为解决传统总线不足而推广的一种新型的通信标准。该总线接口具有安装方
16、便、高带宽、易于扩展等优点，已逐渐成为现代数据传输总线的发展趋势。CAN是控制局域网络(Control Area Network)的简称，最早由德国BOSCH公司推出，常用于分布式控制系统内部测量与执行部件之间的数据通信。CAN总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性而成为现场总线的主流品种之一，在工业控制领域得到了普遍应用，并被认为是最有前途的现场总线之一。由于CAN具有独特的设计思想，良好功能特性和极高的可靠性，现场抗干扰能力强，已成为最有发展前途的现场总线之一翻。CAN的传输介质有双绞线、同轴电缆和光纤。光纤具有传输速率高、容量大，损耗低、中继距离远，抗干扰能力强，技术上容易实现、造价低廉等特点，正日益广泛地应用于工业领域12。 1.3 本设计主要研究内容本课题要研究的任务是设计一个基于PIC32微控制器（PIC32MX575F512L）USB/C
