基于ARM7的CAN-USB转换器设计

引言
   ABS(防抱死刹车系统)ECU(电控单元)在研发过程中，为了实时确定其行车参数和控制参数，通常会使用标定技术，标定技术就是通过一定的命令对ECU上传和读取控制算法参数，以达到对其实时修改以寻求最优的技术。对于车载电控单元来说，其通常只有CAN总线通信接口，为了能实现上位机和ECU能直接进行通信，实现利用标定技术对ABS ECU进行开发，我们设计了一款能实现CAN到USB的数据转换器。CAN通信协议是一种用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。而USB具有即插即用的优点，并且有较高的通信速率，对于实现上位机和下位机的通信进行标定十分方便。我们设计的数据转换器采用了NXP公司的LPC2119 ARM7处理器，通过它成功地实现上位机和ECU的可靠通信和对下位机的标定。
   系统硬件设计
   LPC2119 ARM7处理器
   LPC2119是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32ARM7TDMI-S CPU的微控制器，并带有28/256kB嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。
   USB转换芯片CH372
   CH372是一个USB总线的通用设备接口芯片，在本地端，CH372具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到控制器的系统总线上；CH372内置了USB通讯中的底层协议，在内置固件模式下，CH372自动处理默认端点0的所有事务。
   系统设计
   转换器直接使用USB的5V供电，使用了LM1117将5V电源转换成3.3V和1.8V以供ARM处理器及其外围模块使用，对于CAN控制器输出的逻辑电平用TJA1050转换成差分电平输出CH372的设计十分重要，外接电容用于CH372内外部电源节点去耦。在LPC2119的各电压引脚分别接了0.01μf的电容进行滤波。在USB转换芯片的设计中，可选4.7kΩ电阻用于在电源断电后将电解电容中的电能及时释放掉，使VCC及时下降到0V，确保在下次通电时CH372能够可靠地上电复位。为使CH372能够可靠复位，电源电压从0V上升到5V的上升时间应该少于100ms，所以电容的容量和电阻的阻值都不能太大。用15pF的独石或高频瓷片电容作为CH372的时钟振荡电路的起振电容。
   系统硬件设计部分框图如图1。
   
   系统软件设计
   系统程序主要包括CAN控制器驱动程序，USB控制芯片CH372驱动程序，数据读写缓冲区的设计，以及如何调用CAN和USB的读写函数使数据的通信更好的同步。
   CAN驱动程序
   根据LPC2119微处理器CAN控制器的特性，将CAN的驱动程序分为3个层次：1.硬件抽象层：将CAN控制器的硬件特性用数据类型进行抽象，并提供CAN控制器硬件操作的接口。对物理层的寄存器和相应地址影射，定义了CAN控制器寄存器的数据类型和对寄存器的操作方法。2.功能函数层：CAN控制器各种功能的实现函数，该层的函数利用硬件抽象层中对寄存器操作的接口来访问CAN控制器来实现各种CAN控制器所能提供的功能。3．应用程序接口层：在该层中的主要提供给3个函数，初始化CAN控制器CANinit()、发送数据CANSendData()、接收数据CANRecieveData()。
   CH372驱动程序
   CH372芯片在本地端提供了通用的被动并行接口。CH372芯片的读写时序主要要求读写使能信号有一个2～10μs的持续时间，并且在a0=1时写入命令，a0=0时读写数据。在本设计中，用LPC2119的10口来表示CH372的各信号，并需要严格按照其时序要求用软件模拟其读写时序，一个典型的写数据子函数如下：
   

在以上程序中，对各端口的操作先后代表了CH372的读写时序信号的先后，适当的延时表示有效的写/读选通脉冲WR/RD的宽度，其典型值为90到10000ns，我们选择25μs。同理可得写命令，读数据子函数：USBWriteCMD(uint32 CMD)，USBReadData()。调用以上子函数提供了发送和接收数据的函数：IRQ_CH372(void)，UploadUSBData(unin32Length,uint32 Data[])。
   环形缓冲区
   在本设计中，设计了两个环形缓冲区，分别存放USB及CAN的数据，使其能同步发送，
一个典型的缓冲区数据结构如下：
   

数据元素是无符号32位整数，MAX为环形缓冲区最大长度，WritePtr为读指针，ReadPtr为写指针。读写指针初始化为writePtr=ReadPtr=0。通过CAN控制器接受的数据存放在环形缓冲区CANRecRinBuf中，再读出数据从USB端输出，保证了数据通信的可靠性。
   上位机监控界面
   安装CH372的上位机驱动后，基于CH372的USB设备就可以被上位机识别了。调用CH372提供的动态连接库CH372.d11及其相应的LIB文件CH372.Lib和头文件CH372.h，以建立上位机的工序，调用CH372提供的库函数CH375OpenDevice()、CH375CloseDevice()，用于打开和关闭设备，调用CH375WriteData()；CH375ReadData()接收下位机通过CH372发送上来的数据，并根据CAN总线数据的格式将其封装成CAN格式的数据，提供对CAN数据的收发CANDownload()，CANUpload()。用C++设计相应的图形界面以实现和下位机的通信。
   结语
   在ABSECU的研发项目中，我们使用了此转换器将ECU的CAN数据转换成USB数据和上位机通信，ECU上传需监控参数，上位机下传标定参数。其硬件上使用ARM7内核的LPC2119作为控制器，以及底层软件的设计确保了转换器在实际的ECU开发的CCP标定的工程中，在大量数据进行传输的过程中有较好的可靠性。