1.1 AT89C52微控制电路
　　AT89C52是一个低电压、高性能CMOS 8位单片机，片中内置有8KB可反复擦写的Flash存储单元和256B随机存取数据存储器RAM，功能强大。AT89C52是该接口电路的控制核心，其中P0、P2口用作16位数据I/O口，P1、P3口用作控制。
　　微控制器负责对USB设备控制器和CAN控制器进行控制。在微控制器内部驻留有USB通信协议和CAN通信协议，完成USB通信协议和CAN总线通信协议转换，实现USB接口和CAN接口通信数据的透明传输^[2]。
1.2 USB接口电路
　　本设计中USB控制芯片采用Philips公司的PDIUSBD12。该芯片是一款性价比很高的USB器件，内部集成了串行接口引擎SIE、存储器管理单元MMU、集成RAM、模拟收发器以及电压调整器，可与任何外部微控制器实现高速数据传输的并行接口（2MB/s）。提供3个端点，其中主端点（端点2）的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输。
　　PDIUSBD12与微控制器的接口有二种方式：多路地址/数据总线方式、单地址/数据总线方式。在本设计中，采用的是前一种方式，即使用了AT89C52的INT0、ALE、WR、RD和P0口，A0脚接地，当PDIUSBD12接收到主机的有效信息时，会产生一个中断通知AT89C52进行处理。若微控制器的输出地址为奇数，则表示对PDIUSBD12发送指令；若输出地址为偶数，则表示对PDIUSBD12进行数据传输。AT89C52将数据经PDIUSBD12的并行接口送入FIFO存储器。对微控制器而言，PDIUSBD12看起来就像1个带8位数据总线和1个地址位的存储器件。由于在USB的信号传递过程中会掺杂进瞬间的高压噪声，这些噪声对USB口的收发电路将产生致命的危害，因此需要对这些噪声电压进行抑制。在USB接口电路设计中，使用了SN75240，它可以对USB接口中的不正常电压进行有效的抑制，以保证硬件设备的安全^[3]。
1.3 CAN总线电路
　　在本设计中，CAN总线控制器采用Philips公司生产的SJA1000，它作为一个发送、接收缓冲器，实现主控制器和总线之间的数据传输。CAN总线控制器接口芯片采用PCA82C250，它是CAN总线控制器和物理总线的接口，可以对总线提供不同的发送能力和对CAN控制器提供不同的接收能力。为了增强CAN总线的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接与PCA82C250的TXD和RXD相连，而是通过高速光电耦合器6N137后与PCA82C250相连。这样就很好地实现了总线上各CAN节点间的电气隔离，如图2所示。不过应注意：光耦部分电路所采用的两个电源Vcc和Vdd必须完全隔离，否则采用光耦就会失去意义。电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块，或带+5V隔离输出的开关电源模块实现。

2 智能适配卡的软件设计
　　适配卡的软件设计主要包括CAN通信软件设计、USB设备端通信软件设计、USB设备驱动程序设计和应用程序设计四大部分。
2.1 CAN通信软件设计
　　CAN通信软件设计主要包括三大部分：初始化CAN控制器SJA1000、发送数据模块和接收数据模块。同时还包括一些数据溢出中断及帧出错的处理。初始化CAN控制器SJA1000主要用来实现CAN控制器工作时的参数设置，这些初始化的内容包括硬件使能CAN控制器、设置CAN报警界限、设置CAN总线波特率、设置中断工作方式、设置CAN验收过滤器的工作方式、设置CAN控制器的工作模式等^[4]。这些功能主要是通过设置各寄存器予以实现。
　　微控制器AT89C52将USB总线送来的数据转换为符合CAN发送帧格式的数据，通过调用CAN发送数据模块将该数据从CAN控制器SJA1000转发。微控制器AT89C52调用CAN接收数据模块接收来自CAN总线的数据，并把数据转换为符合USB发送帧格式的数据，将该数据通过PDIUSBD12进行转发^[5]。CAN通信软件整体工作流程如图3所示。

2.2 USB设备端通信软件设计
　　USB设备端通信软件设计主要包括PDIUSBD12的硬件驱动层、USB接口控制驱动层、USB协议层和USB应用层软件设计^[6]。
2.2.1 PDIUSBD12的硬件驱动层软件设计
　　PDIUSBD12硬件驱动层主要任务是初始化PDIUSBD12与AT89C52连接的配置，复位PDIUSBD12并建立PDIUSBD12与AT89C52的通信函数。
2.2.2 USB接口控制驱动层软件设计
　　USB接口控制驱动层的主要任务是实现PDIUSBD12的各种功能，包括地址使能、读取端点数据、向端点写入数据和设置DMA等，该层中的功能函数通过调用PDIUSBD12硬件驱动层的各函数予以实现。
2.2.3 USB协议层软件设计
　　USB协议层的主要任务是处理标准的USB设备请求以及特殊的厂商请求。USB主机通过标准USB设备请求，可设定和获取USB设备的有关信息，完成USB设备的枚举。所有的请求都是通过PDIUSBD12的端点0接收和发送SETUP包来完成。
2.2.4 USB应用层软件设计
　　PDIUSBD12支持所有的四种USB数据传输方式。本文适配卡的设计中使用了控制传输、中断传输和批量传输。控制传输只用来传递控制信息，固定使用端点0；中断传输使用端点1，用来传送CAN网络状态信息；批量传输使用端点2，用来实现主机和CAN网络节点之间的数据传送。
　　PDIUSBD12具有完善的中断机制，微控制器AT89C52可以通过读PDIUSBD12的中断寄存器获得总线事件。为了提高USB应用层软件的运行效率，主程序对系统进行初始化后开放中断，在中断服务程序中对事件进行分析和必要的处理，并设置相应的变量标志和数据缓冲区。主程序则循环查询变量标志，调用相应的子程序进行处理。这种程序结构使得主程序能够在前台处理各种数据传送任务，同时又可以通过中断在后台及时处理总线事件，有力地确保了最佳的传输速率和更好的软件结构，同时简化了编程和调试^[7]。PDIUSBD12中断服务程序如图4所示。

2.3 USB设备驱动程序设计
　　USB设备驱动程序采用的是WDM( Windows Driver Mode)
　　类型。WDM属于操作系统的内核模式，其驱动程序由运行于内核模式的系统代码组成。WDM设备驱动模型与先前的VXD型驱动程序相比，降低了所需驱动程序的数量和复杂性，简化了驱动程序的开发^[8]。
　　本文采用DriverStudio开发工具进行开发。DriverStudio包含VtoolsD、softICE和DriverWork等工具，通过DriverWorks的开发向导Driver Wizard生成驱动程序框架，在其生成的代码框架中再加入对设备上LED灯的控制操作，实现一个完整的USB设备驱动程序。在生成驱动程序的同时，可以同时生成驱动程序的测试程序。编译运行DriverWorks生成的驱动测试程序，能够发现此设备驱动运行是否良好，并能够实现对设备上的LED灯的控制。
2.4 应用程序设计
　　对于广大用户而言，与系统的交互是通过应用程序实现，而且整个系统的主要数据处理都在这里完成。因此，运行效率高、界面友好、具有强大数据分析和处理的应用程序的设计，也是系统设计上一个不容忽视的关键因素。应用程序设计的关键是实现从USB外设读取或发送特定数量的数据，本设计中采用Visual C++6.0作为应用程序的开发环境。
　　CAN总线与USB总线作为流行的、先进的总线技术都具有广泛的应用和发展前途。本设计通过结合USB与CAN的优点连接扩展了USB在工业控制中的功能，同时大大简化了工业控制与PC机之间的数据通信，具有十分广泛的应用价值。本设计已经完成，并在矿井下数据传输中得到应用，取得了良好的现场应用效果。

参考文献
[1] 张延宇，曹云侠. 基于USB的CAN适配卡的设计与实现[J].微计算机信息,2006,22(1):6-8.
[2]  高强，任恩恩，张涛. CAN总线的PCI接口通信卡设计[J].电子技术应用，2007,33(7):122-124.
[3]  周立功. PDIUSBD12固件编程与驱动开发[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[4]  律德才，马峰. CAN总线控制器SJA1000的原理及应用[J].电测与仪表，2002,(4):57-59.
[5]  CENA G, VALENZANO A.FastCAN: A high-performance enhance CAN-like network[J]. IEEE Transactions on
Industrial  Electronics, 2000,47(4):951-952.
[6]  高军，刘晓莉，赵延明.基于LPC2292的CAN总线USB接口适配器的设计[J].化工自动化及仪表,2007,34(4):49-52.
[7]  张红彩，赖联琨，姜学东.USB总线在CAN接口卡上的应用与设计[J].自动化与仪表,2006,(3):27-30.
[8]  CANT C. Windows WDM 设备驱动程序开发指南[M].北京：机械工业出版社，2000.