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USB-CAN-RS232总线转换电路设计及实现
日期：2024-08-27 11:31
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摘要：
1 引言
随着电子设备的大量出现及针对各种控制系统的实际需求，各种通信网络相继产生。由于它们的总线结构，通信协议及传输特点各不相同，给不同设备之间的连接带来很多麻烦，因而急需各种总线之间的转换装置。目前较流行的现场通信网络有RS－232，RS422/485、HART、Profield、Dupline、CAN和LonWorks等，本文阐述了一种USB－CAN－RS232三总线转换装置，电路设计简单新颖，并并且携带方便，实用性很强。
2 各种总线的特点
2.1 CAN（Controller Area Netwrok）
CAN是控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，具有较高的通信速率（*高达1Mb/s），较远的通信距离（*远达10km），良好的抗电磁干扰能力，而且采用总线仲裁技术，通信方式灵活，越来越受到人们的重视，它在汽车领域的应用*为广泛，一些有名的汽车制造厂商如BENZ（奔驰）、BMW（宝马）、PORSCHE（保时捷）、ROLLS－ROYCE（劳斯莱斯）和JAGUAR（美洲豹）等都采用CAN总线实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。
2.2 USB（Universal Serial Bus）
USB即"通用串行总线"是一种应用在PC中的表型总线，由Intel、Microsoft、NEC等公司共同提出，他是一种新型的外接串联口，提出该规格的厂商希望用USB取代现有的外接设备接口，它还具备连接单一化、软件自动侦测以及热插拔（即插即用）的功能，USB具有以下特点：
1）数据传输速率高。USB高速：480Mb/s；USB全速：12Mb/s；USB低速：1.5Mb/s。
2）数据传输可靠。USB事务处理包括错误检测机制，可以确保数据无错误发送，在发生错误时，事务处理可以重新进行。
3）同时挂接多个USB设备，每个USB总线支持127个设备的连接。
4）USB接口能为设备供电。当外界电源要求电压为5V且电流小于500mA时，可以直接从USB总线获取电源，这样，USB设备无需专用电源线，从而降低了设备成本。
5）支持热拔。USB实现了真正的"即插即用"功能，设备连接后由USB自检测，并且由软件自动配置，完成后立刻就能使用，不需要用户进行干涉。
3 器件特性
3.1 SJA1000型CAN总线控制器
SJA1000是Philips公司早期PCA82C200型CAN控制器的代替品，功能更强，具有如下特点：
完成兼容PCA82C200及其工作模式即BASICCAN模式；
具有扩展的接收缓冲器，64字节的FIFO结构；
支持CAN2.0B；
支持11位和29位识别码；
位速率可达1Mbit/s；
时钟频率高达24M赫兹；
支持与不同微处理器的接口；
可编程的CAN输出驱动配置；
工作温度范围宽（－40摄氏度～＋125摄氏度）。
SJA1000的引脚排列如图1所示，其内部主要由接口管理逻辑IML、信息缓冲器（含发送缓冲器TXB和接收缓冲器RXFIFO）、位流处理器BSP、接收过滤器ASP、位时序处理逻辑BTL、错误管理逻辑EML、内部振荡器及复位电路等构成，IML接收来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址并向控制提供中断信息及状态信息，CPU的控制经IML把要发送的数据写入TXB，TXB中的数据由BSP处理后经BTL输出到CANBUS。BTL始终监视CANBUS，当检测到有效的信息头"隐性电平－控制电平"的转换时启动接收过程，接收的信息首先要由位流处理器DSP处理，并由ASP过滤，只有当接收的信息的识别码与ASP检验相符时，接收信息才*终被写入RXB或RXFIFO中，RXFIFO*多可以缓存64字节的数据，该数据可被CPU读取，EML负责传递层中调制器的错误管制，它接收BSP的出错报告，促使DSP和IML进行错误统计。
3.2 USBN9603型USB接口电路
随着电子设备的大量出现及针对各种控制系统的实际需求，各种通信网络相继产生。由于它们的总线结构，通信协议及传输特点各不相同，给不同设备之间的连接带来很多麻烦，因而急需各种总线之间的转换装置。目前较流行的现场通信网络有RS－232，RS422/485、HART、Profield、Dupline、CAN和LonWorks等，本文阐述了一种USB－CAN－RS232三总线转换装置，电路设计简单新颖，并并且携带方便，实用性很强。
2 各种总线的特点
2.1 CAN（Controller Area Netwrok）
CAN是控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，具有较高的通信速率（*高达1Mb/s），较远的通信距离（*远达10km），良好的抗电磁干扰能力，而且采用总线仲裁技术，通信方式灵活，越来越受到人们的重视，它在汽车领域的应用*为广泛，一些有名的汽车制造厂商如BENZ（奔驰）、BMW（宝马）、PORSCHE（保时捷）、ROLLS－ROYCE（劳斯莱斯）和JAGUAR（美洲豹）等都采用CAN总线实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。
2.2 USB（Universal Serial Bus）
USB即"通用串行总线"是一种应用在PC中的表型总线，由Intel、Microsoft、NEC等公司共同提出，他是一种新型的外接串联口，提出该规格的厂商希望用USB取代现有的外接设备接口，它还具备连接单一化、软件自动侦测以及热插拔（即插即用）的功能，USB具有以下特点：
1）数据传输速率高。USB高速：480Mb/s；USB全速：12Mb/s；USB低速：1.5Mb/s。
2）数据传输可靠。USB事务处理包括错误检测机制，可以确保数据无错误发送，在发生错误时，事务处理可以重新进行。
3）同时挂接多个USB设备，每个USB总线支持127个设备的连接。
4）USB接口能为设备供电。当外界电源要求电压为5V且电流小于500mA时，可以直接从USB总线获取电源，这样，USB设备无需专用电源线，从而降低了设备成本。
5）支持热拔。USB实现了真正的"即插即用"功能，设备连接后由USB自检测，并且由软件自动配置，完成后立刻就能使用，不需要用户进行干涉。
3 器件特性
3.1 SJA1000型CAN总线控制器
SJA1000是Philips公司早期PCA82C200型CAN控制器的代替品，功能更强，具有如下特点：
完成兼容PCA82C200及其工作模式即BASICCAN模式；
具有扩展的接收缓冲器，64字节的FIFO结构；
支持CAN2.0B；
支持11位和29位识别码；
位速率可达1Mbit/s；
时钟频率高达24M赫兹；
支持与不同微处理器的接口；
可编程的CAN输出驱动配置；
工作温度范围宽（－40摄氏度～＋125摄氏度）。
SJA1000的引脚排列如图1所示，其内部主要由接口管理逻辑IML、信息缓冲器（含发送缓冲器TXB和接收缓冲器RXFIFO）、位流处理器BSP、接收过滤器ASP、位时序处理逻辑BTL、错误管理逻辑EML、内部振荡器及复位电路等构成，IML接收来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址并向控制提供中断信息及状态信息，CPU的控制经IML把要发送的数据写入TXB，TXB中的数据由BSP处理后经BTL输出到CANBUS。BTL始终监视CANBUS，当检测到有效的信息头"隐性电平－控制电平"的转换时启动接收过程，接收的信息首先要由位流处理器DSP处理，并由ASP过滤，只有当接收的信息的识别码与ASP检验相符时，接收信息才*终被写入RXB或RXFIFO中，RXFIFO*多可以缓存64字节的数据，该数据可被CPU读取，EML负责传递层中调制器的错误管制，它接收BSP的出错报告，促使DSP和IML进行错误统计。
3.2 USBN9603型USB接口电路
USBN9603的引脚排列如图2所示，它是标准的USB接口电路，符合USB1.0和USB1.1协议。USBN9603集成了3.3V的稳定电源、串行接口引擎SIE、多个USB端点缓冲FIFO、1个8位并行微处理器接口和1个时钟源。