基于CP2102高速USB2适配卡设计介绍.pdf

基于 CP2102 高速 USB2.0-CAN 适配卡的设计 摘要：基于桥接芯片CP2102，设计了USB2.0-CAN 的适配卡。系统采用USB 和CAN 接收 中断、通信同步的握手协议等方式，解决了USB 的高速率和CAN 的低速率、USB 的大数 据包与 CAN 的小数据包之间的矛盾，实现了USB 数据与 CAN 数据之间的协议转换和转发。 关键词：CP2102 ；CAN 控制器；协议转换；USB2.0 引言 控制器局域网(CAN) 是德国BOSCH 公司于1986 年为解决汽车内部测量与执行部件之 间的数据通信而开发的一种串行数据通信协议。它的网络模型结构包括物理层、数据链路 层和应用层，以双绞线为信号传输介质，通信速率最高可达1Mbps ( 40m )，直接传输距 离最远可以达到 10km/5Kbit/s，每条总线可挂接设备多达110 个，特别适用于实时性要求 很高的网络。由于其多主的工作方式、优良的稳定性和实时性能、成熟的仲裁和同步技术， 加上开放式总线结构、短报文高速通讯、远程通讯能力、超强的纠错和扩展功能，以及控 制简单、应用成本低等优点，已经被越来越多地应用到广大网络控制系统领域，并被公认 为最有前途的现场总线技术之一。 USB （通用串行总线），是1995 年以Intel 为首的7 家公司推出的一种协议规范，用 以实现将将计算机的各种外围接口统一起来，用带四根线（两根电源线和两根数据线）的 接口来实现任意设备和PC 机间的通讯。具有即插即用，软硬件支持广泛、低功耗、价格 低、数据传输率高、扩充性好、使用灵活、硬件结构标准化高和完备的总线拓扑结构等特 点，因此USB 自问世以来，显示出了强大的生命力，在以计算机为上位机的控制系统中， 得到广泛的应用。 随着计算机技术的飞速发展，PC 这个已经把USB 采纳为通用总线和通用接口标准的 控制器几乎已经成为各个领域操控终端的首要选择。通过USB 接口，在安装必要的应用软 件和驱动程序之后，PC 能接入到各个控制系统中去。因此，为了提高应用的高效率、操控 的便利性，把USB 的通用型和CAN 的专业性结合起来，达到优势互补，有必要设计一种 高速USB2.0-CAN 适配卡，以实现USB2.0 通信协议与CAN 总线通信协议的转换。 系统结构 系统主要包含三部分：微控制器、USB 接口和CAN 接口的控制部分（见图 1）。其中 C8051F040 作为系统微控制器。USB 接口功能控制器采用CP2102 USB 转 UART 桥接芯片。 其中C8051F040 作为CAN 总线控制器负责与CAN 网络交换数据，CP2102 实现USB 口信 息格式与串口格式的转换，最后由C8051F040 操作串口与CP2102 交换数据，实现 USB2.0 到CAN 总线协议的转换。 图1 USB2.0-CAN 适配卡框图 硬件实现 CP2102 CP2102 是Silicon Labs 公司的USB 转UART 桥接芯片，具有集成度高、速度高、价格 低廉、开发简单等特点，能够用最简单的外部电路，最少的外部器件简便地实现USB 到 UART 的转换。CP2102 包含USB2.0 全速功能控制器、USB 收发器、振荡器和带有全部的 调制解调器控制信号的异步串行数据总线（UART）。CP2102 的内部结构如图2 所示，内 置有与计算机通信的协议，工作时，提供的免费的实用COM 口器件驱动器允许一个基于 CP2102 的产品作为的一个口使用，也就是通常所说的产生一个虚拟的口，电路无需任何 外部的USB 器件即可工作，工作特性可以满足CAN 总线的传输波特率要求。 图2 CP2102 的内部结构图 微控制器 系统采用Silicon Laboratories 公司推出的混合信号系统级单片机C8051F040 作为系统 的控制器，内部集成的CAN 控制器包括一个CAN 内核、消息RAM(独立于CIP-51 内核)、 消息处理单元、控制寄存器等但是没有提供物理层的驱动器，要实现与CAN 总线的接口， 还需接口控制器,例如82C250 、TJA1050 等。数据接收和滤波都是由CAN 控制器完成的,不 需要CIP-51 内核的参与，通过这种方式使CAN 通讯时占用的系统资源最小。CIP-51 内核 通过其内部的特殊功能寄存器来配置CAN 控制器以及实现数据交互。 电路设计 系统电路如图3 所示，由CP2102 、C8051F040 、CAN 驱动芯片PCA82C250 以及光电 隔离芯片6N137 等组成。CP2102 的RTX、