CP2102與C8051F040的USB-CAN轉換器設計

3 USB與CAN之間協議轉換的實現
設計在充分遵守USB和CAN協議的基礎上，實現了USB數據與CAN數據之間的協議轉換和轉發。在設計過程中，USB的高速率和CAN的低速率，以及USB的大數據包和CAN的小數據包之間存在著矛盾，必須認真解決，否則可能造成數據丟失、協議轉換不可靠、設備工作不穩定。本設計中USB和CAN都采用了接收中斷方式，將USB和CAN的數據包先存儲下來，作為緩沖進一步處理。在接收中斷服務程序的數據時，只有將數據準確地收取下來，才將接收緩沖區釋放，在此之前拒絕接收新的數據。在數據發送時，先確認發送緩沖區可用才寫入數據。由于兩端接口芯片都有內部的發送和接收緩沖區，主程序的主要任務就是完成數據的轉發，以及提供通信同步的握手協議，防止數據丟失和順序錯誤。
相對于CAN總線傳輸速率，USB總線速率要高得多，128字節的緩沖區也比CAN總線芯片8字節緩沖區大得多。因此，向CAN接口發送數據需要完成拆包和重新打包的任務，屬較慢的操作，采用定時查詢式發送。CAN接收任務時，每次盲接轉發CAN接口收到的8字節數據到USB接口發送緩沖區，采用2個信號量(CAN―rcv，USB―wr)完成數據同步操作。數據轉發工作共有以下4個任務協調配合完成。
(1)USB中斷后續處理任務
CP2102接收到數據或發送完成，都會觸發中斷程序運行。中斷處理程序只需要簡單地通知此任務有中斷發生，以盡量減少中斷關閉的時間。因此，這個任務的優先級最高，并且一旦開始運行便不再等待其他事件，要盡快處理完成。此任務根據USB接口的不同中斷原因，通知其他任務進行后續的數據處理或轉發工作。
(2)控制端點信息處理任務
當USB接口接收到主機發來的USB協議信息時，此任務得到通知。根據主機的要求，該任務按照USB協議規范的數據格式對主機應答。它主要用于USB設備枚舉階段，與主機之間進行信息交換。其他時間，此任務不占用處理器時間。
(3)CAN總線發送任務
當USB接口有新的數據要轉發到CAN總線時，USB中斷后續處理任務通知此任務運行。讀出USB芯片接收緩沖區中的數據到內存緩沖區，然后分解成小于或等于8字節的數據包，增加CAN總線協議數據包頭，送入C805lF040的發送緩沖區。微處理器的主要處理時間就是USB數據包的分解和重新打包發送。
此任務占用處理器的時間最長。CAN發送任務每次等待USB接收中斷觸發USB_rd信號量后，開始讀取CP2102接收緩沖區數據到內存數組Ep2out_Bur[128]，然后采用查詢式發送方式，將數據送到C8051F040的發送緩沖區，每次8字節。在查詢過程中，如果C8051F040處于正在發送中，將任務休眠3個時鐘嘀嗒(5 ms)，然后再次查詢，避免長時間占用處理器。
(4)CAN總線接收任務
當CAN總線接收到數據后，由于數據包最多只有8個字節，因此可以一次放入USB接口芯片發送緩沖區，由主機讀取。此任務很少占用處理器時間。主要是為了協調CAN總線與USB總線之間數據轉發的同步，使數據包可以按照原來的順序接收到，并且不覆蓋尚未發送的上一個數據包，避免數據丟失。CAN接收中斷首先讀C8051F040中斷寄存器，清除中斷標志。然后觸發CAN―rcv信號量，使CAN接收任務得以運行。CAN接收任務然后等待USB發送完成中斷觸發USB―wr信號量，表示USB接口可以發送新的數據。由于USB接口緩沖區較大，并且發送速度快，CAN接收任務直接將CAN接收到的數據送入USB接口芯片CP2012的發送緩沖區。然后打開CAN接收中斷。

結 語
在遵守USB和CAN協議的基礎上，USB和CAN都采用了接收中斷方式，通過通信同步的握手協議，實現了USB數據與CAN數據之間的協議轉換和轉發，很好地解決了USB的高速率和CAN的低速率，以及USB的大數據包與CAN的小數據包之間的矛盾，能夠保證數據完整和協議的可靠轉換。