USB多协议转换器

项目简介

本项目是利用AT32F403A主频高，接口资源丰富，价格低廉的特点，制作的低成本的USB多协议转换器开发板(笔者简单的写了一个上下位机程序Demo以供参考)。

项目功能

USB转换器预留一路USB输入，输出分别为，一路SPI，一路485，一路CAN，六路UART。具有三个独立IO口可供外部触发和故障输出使用。既可以作为调试器配合上位机进行调试; 利用独立IO，输入触发信号，也可作为独立模块在多传感器融合场景下硬同步通信时使用。

项目主要元件

主控 AT32F403A
CAN PHY芯片 TJA1044GTK/3Z
485 PHY芯片 SIT3088ETK

硬件注意事项

1. U3,U5封装均采用了SOT-323-3封装

2. CAN 输出接口处如果在测试时示波器观察边沿上升缓慢，总线电容过大，可取消对地100pF电容C8,C9，以及保护二级管U3。

3. 开发板上只有两个共地点引出没有供电引脚，外设需要单独供电后通过共地点共地。

4. 开发板出口输出引脚的丝印序号与实际MCU的资源序号不相等。

5. INT0引脚P82，为MCU的BOOT1引脚，在开发板中没有做处理，当需要进入USB DFU模式(BOOT0=0 BOOT1=1)的情况时需要拉低直至MCU启动

6. 连接器H1引脚和实际资源对应关系

   丝印	MCU资源	丝印	MCU资源
   UART1	USART3	UART4	UART4
   UART2	USART1	UART5	UART7
   485	USART6	UART6	UART5
   UART3	USART2	CAN	CAN2

7. 连接器H4引脚资源分配为SPI2，CS为PB12

8. IO引脚分配

   INT2	INT1	INT0
   PA6	PB1	PB2

软件设计思路

Demo具体代码思路以及资源分配如下

资源分配

1. 通信通道资源分配

   通道数	MCU资源	通道数	MCU资源
   CH1	USART3	CH6	UART5
   CH2	USART1	CH7	USART6
   CH3	USART2	CH8	SPI2
   CH4	UART4	CH9	CAN2
   CH5	UART7

2. DMA资源全部分配给了通信速度较慢的485和串口。

   通道数	DMA资源	通道数	DMA资源
   CH1	DMA1_7	CH5	DMA2_6
   	DMA2_1		DMA2_7
   CH2	DMA1_1	CH6	DMA2_4
   	DMA1_3		DMA2_5
   CH3	DMA1_5	CH7	DMA1_2
   	DMA1_6		DMA1_4
   CH4	DMA2_2
   	DMA2_3

下位机

下位机AT32采用标准库编写，用CMAKE方式构建工程，RTT作为调试输出工具，USB部分移植了cherryUSB，没用官方标准USB库。工程文件目录如下：

• Device
  • bsp 文件夹中存放外设驱动文件
  • libraries AT32标准库文件
  • middlewares 存放第三方文件，RTT，cherryUSB文件
  • projet main.c以及AT32标准库配置文件
  • CmakeLists

主要思路

AT32利用四个节点，构成HID和CDC复合设备。HID主要负责状态回馈和接收及参数接收，CDC负责通信数据传输。等待上位机信号切换连接状态，返回信号告知上位机。连接上位机后在主循环当中等待并处理四种事件，参数设置，通道状态转化(IO状态切换)，发往上位机数据，接收上位机数据。各通道收发信号均采用无阻塞方式。485以及其他串口采用DMA和串口空闲中断方式收发，SPI中断收发，CAN中断收。下位机没有主动发送和主动接收，所有调度工作均为被动执行，当控制节点收到Get_Report指令后，返回设备状态；当控制节点收到Set_Report指令后，根据Report ID不同改变参数和通道使能状态。

连接上位机流程

等待上位机发送信号，收到后发回信号，并重置所有通道。

数据上传上位机流程

等待某一通道返回接收完成信号，将其加入发送数组，发送信号给上位机，等待上位机采集。整体采用乒乓操作发往上位机。

接收上位机数据流程

等待各通道发送完成信号，从接收数组当中获取新的数据，直至当前数组清空完成数据发送。整体采用乒乓操作读取。

上传状态到上位机流程

等待接收Get_Report指令后，将returnStat数组上传。

接收上位机通道使能状态流程

等待接收Set_Report指令后，根据SENDMSG数组判定通道的状态改变指示量的值，当其为1时读取状态量，根据状态量改变通道使能状态。

接收上位机通道使能状态流程

等待接收Set_Report指令后，跟据setCH数组判定通道参数改变指示量的值，当其为1时读取参数，改变通道参数。

上位机断开流程

在主循环中累加标志量，当上位机发送信号收到时清空该标志量，当上位机长时间没有通信，该标志量累加到阈值，判定上位机断开。

上位机

上位机采用了Qt5.12.2编写，USB部分用了开源的libusb1.0。工程文件目录如下：

• Host

  • Forms 存放UI文件

  • Headers 存放头文件

  • Library 存放libusb库文件

  • Resources 存放图片以及qrc文件

  • Sources 存放C代码

  • CmakeLists

主要思路

上位机运行时所有的按钮均处于关闭状态，每次下拉列表遍历USB设备，当发现时使能连接按钮。设备连接成功后使能各个通道使能按钮，并在独立线程中每1ms向下位机控制节点发送一次Get_Report命令获取设备状态。当界面发生改变时向下位机控制节点发送Set_Report命令更新参数和通道变化到下位机。

连接设备流程

上位机发送信号，等待AT32发回信号，通过返回信号判定是否连接成功。

通道操作流程

使能通道时，检查历史值和当前值是否相同，不同则检测该通道参数是否改变并发送相应信号，更新历史值，使能数据按钮。

关闭通道时，检查历史值和当前值是否相同，不同关闭该通道以及相对应的数据窗口，更新历史值。

参数操作同上

拔出检测流程

Hid通道get_report一定次数失败视为AT32拔出关闭设备。

关闭流程

关闭所有通道以及相对应的数据窗口，清空设备列表

重要数组

见gitee中的excel表格。

USB相关参数

输入输出节点

CDC输入节点 0x81 输出节点 0x01 HID输入节点 0x82 输出节点 0x02

HID报告

设置通道，IO，设备状态量的报告ID为 1 设置通道参数的报告ID为 2 获取状态量的报告ID 为3

USB通信驱动

winUSB

软件注意事项

1. 上位机Cmake文件中 CMAKE_PREFIX_PATH 需改成自己的Qt所在的目录

2. 下位机RTT.cfg文件需自行修改RTT内存入口

3. 下位机报告和错误反馈预留出来没有写相关代码

源代码连接

https://gitee.com/shibwoen/at32_-usb_-distributor

演示视频为笔者短接UART1和UART2的TX，RX。实现串口闭环ASII和HEX格式收发功能，以及基本上下位机连接功能。