专利名称：通用多串行总线转换装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种控制信号的传输系统，尤其涉及一种多串行总线的转 换装置。
背景技术：
现有协议转换装置大多是针对两种协议的转换，比如RS232转CAN总线， RS232转USB总线等，这些转换装置只是针对特定应用场合而定制的，缺乏一定 的通用性。对于通过PC控制多个不同网络的应用场合，要求转换装置与PC传 输速率大于所控制网络的速率，才不会出现传输速率的"瓶颈"现象。现有网 络协议多种多样，有时要求多个不同网络进行无缝连接，或通过接入釆用各种 通信接口的第三方设备实现网络扩展，显然现有装置难以满足上述应用场合和 要求。
如2008年1月16日公开的中国专利申请，公开号为CN101105890A,其公 开了一种基于AT91M40800的多串口总线系统，具有CAN、以太网、RS485和红 外遥控接口的多串口总线系统。RS232是应用最广泛的通信协议之一，很多串行 设备都是釆用RS232接口，同时由于USB通信协议具有传输速率快，支持即插 即用等特点，USB技术在嵌入式系统中的应用越来越广泛。显然此发明难以支持 采用RS232接口的第三方设备接入网络，也不支持USB技术，其通用性还有一 定的欠缺。
实用新型内容
本实用新型的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种通用多串行总线转换装 置，其集成了多种通信协议端口，通用性好。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案其于包括微控制器、USB 接口单元、CAN总线接口单元、以太网接口单元、RS232及RS485接口单元，其 中USB接口单元、CAN总线接口单元、以太网接口单元分别通过并行总线与微控 制器相连，RS232及RS485接口单元通过光电隔离器与微控制器连接。
所述微控制器单元釆用Microchip公司的高性能PIC24FJ128GA006的16位单片机，最高运行速度达16MIPS,具有128K R0M和8K SRAM。此单片机自带两 个UART端口，支持RS232和RS485通信模式，可用于本系统中RS232和RS485 接口单元扩展，充分利用了片上资源并节省外围器件，同时提高了模块的可靠 性。根据每个模块的实际需要，在微控制器中为每个端口开辟了不同的数据缓 冲区。装置工作机理是各个通信端口由接收任务和发送任务构成，各任务由 信号量实现挂起或激活。当一个端口接收到数据时，便把接收到的数据发送到 其余各端口数据緩冲区，同时向其余端口的发送任务发送信号量，用于通知缓 冲区有数据，其余端口发送任务在接收到信号量后即被激活，然后把緩冲区中 数据发送到网络，从而实现了各不同网络之间的数据传输，其中USB端口用于 USB存储设备，存储其余通信端口的数据或连接上位机用于实现上位机通过USB 端口对其余网络的控制。
所述USB接口单元包含USB控制器和USB插座，其中USB控制器釆用泌恒 电子公司的CH375,支持USBl. 1和USB2. 0协议，可以工作于USB主机和USB设 备两种模式。工作于USB主机方式时，用于连接USB存储设备，使用内置固件 程序，微控制器只需若干指令即可对其实现各种操作，用于把通过装置其它端 口传输的数据存储到USB存储设备中。工作于USB设备方式时，用于连接上位 机，可实现上位机通过USB接口控制不同网络。USB插座包括USB-A和USB-B插 座，分别用于连接USB设备和USB主机。USB接口工作在USB主机或USB设备模 式采用跳线选才奪。
所述以太网接口单元包含以太网控制器和以太网变压器，其中以太网控制 器采用Silabs^^司的新型独立以太网控制芯片CP2200，内部集成了 IEEE 802. 3 以太网々某体访问控制器(MAC)和10BASE-T PHY，完全兼容100/1000 BASE-T网 络，支持广播或多播MAC寻址，CP2200的多种集成功能有效地减轻了单片机的载 荷；以太网变压器采用PRJ系列的PRJ-010型变压器，该变压器集成了 RJ45网 络接头，具有2kV以上的电压隔离性能。
所述CAN总线接口单元包含CAN总线控制器和CAN总线驱动器及光电隔离 器件，其中CAN总线控制器采用Philips公司的SJAIOOO，支持CAN2. OB通信协 议，最大通信速率IMbit/s,支持标准帧和扩展帧模式，光电隔离选用高速器件 6N137。所述RS232和RS485接口单元由微控制器自带UART通信模块外接MAX232 和MAX485电平转换器实现，此外还有光电隔离器件。应用微控制器自带UART 方式充分利用了片上资源并且节省了外围器件，光电隔离选用高速器件6N137。 PC端的配置软件由VC实现，可以配置CAN总线、以太网、RS232和RS485。
本实用新型具有多种用途，可用于多个不同网络间的互联或通过PC控制多 个网络及通过接入采用不同接口的第三方设备实现网络扩展，具有一定的通用 性。通过跳线可选择装置进入配置模式或正常工作模式。在配置模式下，通过 装置中RS232端口连接PC中的配置软件，可对CAN总线、以太网及RS232和RS485 的参数及各网络间数据交换的方式进行配置，PC中的配置软件用VC实现。通过 对CAN总线、以太网及RS232和RS485的配置，可任意选4奪这三个端口的工作 参数，从而可使装置工作于各种场合，此外还可通过跳线选择USB接口工作在 主机模式或设备模式，大大提高了装置的通用性。
CAN总线接口单元，RS232及RS485接口单元均采用光电隔离器件实现连接， 避免了网络中的干扰进入转换装置，保证了工作的可靠性，并同时采用DC/DC 电源隔离器件给光电隔离及后端器件供电，彻底隔离网络与装置之间的电气干 扰。
微控制器中嵌入了实时操作系统uC/OS-II,它是一个基于优先级的抢占式 多任务实时内核，系统中的每个任务都是基于事件驱动的。在装置中，每个端 口分别由发送任务和接收任务负责通信，每个任务都由对应的信号量控制启动 或挂起。接收任务的信号量是由相应端口的接收中断程序发送的，发送任务的 信号量是由其它端口把接收到的数据存入此任务的数据緩冲区后发送的。通过
植入uC/os-n系统，使系统运行于多任务模式下，大大提高了系统的实时性。
RS232及RS485接口单元由片上自带UART通信模块和少量外围电路实现， 充分利用了片上资源，节省了外围器件，同时增加了系统可靠性。
本实用新型通过多串口系统增强了网络的兼容性问题，并彻底隔离装置与 网络间的电气干扰，具有广泛的应用范围。
图1为本实用新型的结构框图。
具体实施方式
所述USB接口单元U2采用CH375作为USB总线控制器，U2 TXD引脚接地用 于选定并行总线工作方式。U2数据总线D [7: G]连接到微控制器Ul地址/数据复 用总线PMA[7: 0]/PMD[7: 0] ， U2片选信号CS接Ul片选输出引脚PMCS1 ，命令/ 数据选择信号AO接Ul地址位PMA3，当CS有效同时AO引脚为高电平时选择命 令端口，可以写入命令；当CS有效同时AO引脚为低电平时选择数据端口，可 以读写数据，所有操作都是由命令码和若干个输入或输出数据组成，部分命令 不需要输入数据或没有输出数据。A0=1向命令端口写入命令，随后A(HO写入或 读出数据。U2中断输出信号INT接U1外部中断输入引脚INT1,读写控制信号 WR_N、 RD-N分别与Ul读写信号冊、RD信号相连.
软件设计主要包括CH375的初始化，装置工作于USB主机和USB设备时的接收 和发送数据操作。由跳线选择USB工作在主机或设备模式。作为USB主机工作时， 应用CH375内置的处理Mass-S torage海量存储设备的专用通讯协议的固件，可自 动检测并识别包括USB硬盘和USB闪存盘等常用的USB存储设备的连接。应用 CH375专用内置固件，微控制器可直接以扇区为基本单位读写USB存储设备。作 为USB设备工作时，使用CH375内置固件模式，可自动检测USB主机的连接。具体 工作机理是作为USB主机工作时，如检测到有USB存储设备接入，微控制器在 存储设备中分别建立名称为CAN. txt, Ethernet.txt, RS232.txt, RS485. txt的 文件，用于存储对应端口中的数据，存储格式为16进制；作为USB设备工作时， 如接收到USB主机下传的数据，先把接收到的数据分别存入各端口缓冲区，然后 再向各端口发送一个信号量用于通知数据緩冲区有数据，各端口在接收到信号 量之后便把缓沖区中的数据发送到网络中，从而实现了 PC通过USB接口连接不同 的网络。
所述CAN总线接口单元采用SJA1000 (U3)作为CAN总线控制器U3, U3地址/ 数据复用总线接口 AD [7: 0]与Ul地址/数据复用总线PMA [7: 0] /PMD [7: 0]相连， 地址锁存输入信号ALE接Ul地址锁存输出信号PMAO，用于分离地址和数据信息。 片选输入引脚CS接U1 PMA4引脚用于片选，U3中断输出引脚INT接U1外部中 断输入INT2，读写控制输入信号分别接U1读写控制输出信号RD、 WR。 U3内部 共32个寄存器，微控制器通过对这些寄存器的读写才喿作实现了 CAN总线的控 制，微控制器读写这些寄存器与操作片上自带寄存器一样。CAN总线驱动器U7采用PCA82C250, U3与U7之间具有光电隔离电路，避免CAN网络中的干扰进入 该装置，DC/DC电源隔离模块给光电隔离和U7供电，使装置与CAN网络从电气 上弟刀底隔离。
软件设计包括CAN总线的初始化，数据的发送和接收。CAN总线的初始化包 括工作方式、接收滤波方式、接收屏蔽寄存器、波特率参数设置、中断使能寄 存器参数设置，其中接收滤波方式、接收屏蔽寄存器和波特率参数设置可由PC 端设置软件自由设置，这里只是初始化为默认设置。中断使能寄存器开通接收 中断和错误中断，进入错误中断后检查产生错误的原因，如果是发送或接收错 误，则清零相应标志位，然后返回，如果是总线错误且错误计数器值大于255, 则复位总线。默认发送方式为发送标准帧，且所有发送帧的ID为0,可设置为 发送固定ID的标准帧和扩展帧或由发送缓冲区中的前两个字节提供ID的标准 帧和扩展帧。当发送任务收到缓冲区满信号量后，便按照预先设置发送緩冲区 中数据。默认接收方式为接收并转发所有帧中的数据域，即不过滤接收数据， 可设置为过滤接收方式，只接收ID与过滤寄存器一致的帧，同时可设置转发的 数据是否包括接收帧的ID。在接收中断返回之前，把接收到的数据分别存入其 余端口数据緩冲区，然后分别向各端口发送任务发送一个信号量用于通知緩冲 区已有数据，其余各端口发送任务收到信号量后便把各自緩冲区中数据按照预 先设置发送到各自网络中。默认波特率为500Kbps，可设置为10K—1000K之间 的任意波特率，但所设置波特率需和所4妄网络中 一致才可以正常工作。
所述以太网接口单元采用CP2200作为以太网控制器U4， U4地址/数据复用 总线A [7: 0] /D [7: 0]接Ul地址/数据复用总线PMA [7: 0] /PMD [7: 0] , U4片选引脚 CS接微控制器Ul的PMA5引脚，U4中断输出信号INT接Ul中断输入信号引脚 INT3, U4地址锁存输入引脚ALE接Ul地址锁存输出引脚PMAO, U4读写输入引脚 RD_N、 WR-N分别接U1读写输出引脚RD、 WR, U4总线复用使能引脚丽XEN接VCC 高电平，选择复用总线工作方式。
以太网接口单元的软件设计包括TCP/IP协议栈的实现和主应用程序的设 计。由于TCP/IP协议种类繁多，考虑到嵌入式系统的实际要求和资源，不可能 也没有必要实现TCP/IP的所有协议，对TCP/IP协议进行裁剪之后，最后保留 了 ARP、 ICMP、 IP、 TCP、 UDP协议模块。本系统所实现的协议是基于Microchip公司的TCP/IP协议栈实现的，协议栈是不同模块的集合，接收到某种类型的包
时调用相应的协议模块(IP、 TCP、 UDP、 ICMP、 ARP)完成各模块的处理。为减 轻主应用程序管理各模块的负担，协议栈使用了一个特殊的应用程序层模块， 为"StackTask"。 "StackTask"以协同式任务处理方式来实现，被赋予处理时 间后，将轮询MAC层是否存在有效的数据包，如果接收到一个包，将对其进行 解码并路由到相应的模块进行下 一 步的处理。
主应用程序包括CP2200的初始化，数据的接收和发送。初始化包括中断使 能寄存器，初始化物理层，配置IOPWR寄存器，用于设置Activity、 Link LED 指示灯，初始化MAC层，配置接收过滤器和工作模式的选择,使初始化后的CP2200 已准备好接收和发送数据。数据接收是通过中断产生的， 一旦接收到一个数据 包，CP2200会产生中断通知微控制器Ul,微控制器Ul可以用自动读接口读取 数据包，或通过把RXSKIP1置位来跳过该包。CP2200提供了一个发送以太网包 的简单接口，微控制器Ul只需要把源和目的地址，长度/类型和数据加载到发 送緩冲区，所有以太帧其它部分如前同步码，帧开始定界符，CRC填充都是自动 生产的。其中数据的发送任务由其余端口的接收操作发送信号量激活。
所述RS232和RS485接口单元采用樣i控制器Ul内置UART模块外接电平转 换器MAX232和MAX485实现。微控制器Ul内置UART模块支持RS232和RS485 模式，支持波特率范围15bps — lMbps。电平转换器和微控制器U1间采用光电隔 离器件，彻底隔离装置与网络间的电气干扰。
软件设计包括端口的初始化，数据接收和发送。初始化过程包括配置中断 使能寄存器，波特率、数据位、停止位、奇偶检验位的设置。初始化采用默认 设置，波特率9600bps, 8位数据位，l位停止位，无奇偶校验位。这些参数可 由PC通过设置软件进行设置。发送任务由其余端口的接收任务激活。当产生接 收中断时，便把数据存入其余各端口緩冲区，然后发送一个信号量激活其余端 口的发送任务，从而把本网络中接收到的数据发送到其它网络中，实现了不同 网络间的交互。此外，RS232接口可以外接RS232接口的第三方设备，极大方便 了应用RS232设备实现网络扩展。
权利要求1.一种通用多串行总线转换装置，其特征在于包括微控制器、USB接口单元、CAN总线接口单元、以太网接口单元、RS232及RS485接口单元，其中USB接口单元、CAN总线接口单元、以太网接口单元分别通过并行总线与微控制器相连，RS232及RS485接口单元通过光电隔离器件与微控制器连接。
2. 根据权利要求1所述的通用多串行总线转换装置，其特征在于微控制器采用 PIC24FJ128GA006型号。
3. 根据权利要求1或2所述的通用多串行总线转换装置，其特征在于USB接口 单元包括USB控制器和USB插座；USB控制器设有USB主机和USB设备两种 工作模式，釆用跳线进行工作模式的选择；USB插座包括USB-A和USB-B两 插座，分别用于连冲妻USB设备和USB主机。
4. 根据权利要求3所述的通用多串行总线转换装置，其特征在于USB控制器TXD 引脚接地用于选定并行总线工作方式；USB控制器的数据总线D引脚连接到 微控制器的地址/数据复用总线PMA/PMD引脚；USB控制器的片选信号CS引 脚连接微控制器的片选输出引脚PMCS1引脚；USB控制器的命令/数据选择信 号AG引脚连接微控制器的地址位PMA3引脚；USB控制器的中断输出信号INT 引脚连接微控制器的外部中断输入INT1引脚；USB控制器的读写控制信号 WR-N、 RD_N引脚分别与微控制器的读写信号WR、 RD引脚相连。
5. 根据权利要求1或2所述的通用多串行总线转换装置，其特征在于CAN总线 接口单元包括CAN总线控制器、CAN总线驱动器、光电隔离器，CAN总线控制 器与CAN总线驱动器之间通过光电隔离器连接；CAN总线控制器采用SJA1000 型号；CAN总线驱动采用PCA82C250型号。
6. 根据权利要求5所述的通用多串行总线转换装置，其特征在于CAN总线控制 器的地址/数据复用总线接口 AD与微控制器的地址/数据复用总线相连；CAN总线控制器的地址锁存输入信号ALE引脚连接微控制器的地址锁存输出信号 PMAO引脚；CAN总线控制器的片选输入CS引脚连接微控制器的PMA4引脚用 于片选；CAN总线控制器的中断输出INT引脚连接微控制器的外部中断输入 INT2引脚；CAN总线控制器的读写控制输入信号引脚分别连接微控制器的读 写控制输出信号RD、 WR引脚。
7. 根据权利要求1或2所述的通用多串行总线转换装置，其特征在于以太网接 口单元包括相互连接的以太网控制器和以太网变压器；其中以太网控制器采 用CP2200型号；以太网变压器采用PRJ-010型号，该变压器集成了 RJ45网 络接头。
8. 根据权利要求7所述的通用多串行总线转换装置，其特征在于以太网控制器 的地址/数据复用总线A/D连接微控制器的地址/数据复用总线PMA/PMD;以 太网控制器的片选CS引脚连接微控制器的PMA5引脚；以太网控制器的中断 输出信号INT引脚连接微控制器的中断输入信号INT3引脚；以太网控制器的 地址锁存输入ALE引脚连接微控制器的地址锁存输出PMAO引脚；以太网控制 器的读写输入RD—N、 WR_N引脚分别连接微控制器的读写输出RD、 WR引脚； 以太网控制器的总线复用使能MUXEN引脚接VCC高电平，选择复用总线工作 方式。
9. 根据权利要求1或2所述的通用多串行总线转换装置，其特征在于RS232、 RS48 5接口单元分别通过光电隔离器与^:控制器的UART通信端口连接。
专利摘要本实用新型涉及一种控制信号的传输系统，尤其涉及一种多串行总线的转换装置。本实用新型的通用多串行总线转换装置，包括微控制器、USB接口单元、CAN总线接口单元、以太网接口单元、RS232及RS485接口单元，其中USB接口单元、CAN总线接口单元、以太网接口单元分别通过并行总线与微控制器相连，RS232及RS485接口单元通过光电隔离器件与微控制器连接。本实用新型通过多串口系统增强了网络的兼容性问题，并彻底隔离装置与网络间的电气干扰，具有广泛的应用范围。
文档编号H04L29/06GK201303348SQ20082017418
公开日2009年9月2日 申请日期2008年10月29日 优先权日2008年10月29日
发明者任红恩, 波 何, 韩盈盈 申请人:中国海洋大学