摘要：以fpga代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機和外圍擴展芯片，給出了can總線通信節(jié)點的詳細設(shè)計方案。其中以sja1000為can總線控制器、fpga為主控制器，設(shè)計實現(xiàn)通信節(jié)點的硬件接口電路。基于對can總線控制器的功能分析，并應用verilog語言進行軟件設(shè)計，從而實現(xiàn)can節(jié)點之間的通信功能。
引言
can總線允許高達1mbit/s通訊速率，支持多主通訊模式，有高抗電磁干擾性而且能夠檢測出通信過程中產(chǎn)生的任何錯誤，已被廣泛應用到各自動化控制系統(tǒng)中。在項目的特殊環(huán)境要求下，can總線通信要求使用fpga作為系統(tǒng)中的主控制器，較之傳統(tǒng)設(shè)計使用的單片機，fpga能夠在速度和體積上有更好的適應性。fpga一方面減少了電路板的復雜程度，縮短了實現(xiàn)周期；另一方面，其豐富的資源、超高的性能和靈活的可編程性，提高了整個設(shè)備的可靠性，大大增強了電路板設(shè)計的靈活性和可擴展性。文中通過設(shè)計fpga的接口電路，并利用verilog語言來編程實現(xiàn)can節(jié)點之間的通信功能。
1、can接口硬件設(shè)計
1.1can節(jié)點的系統(tǒng)構(gòu)成
一般來說，每個can模塊能夠被分成3個不同的功能塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。can總線收發(fā)器提供can協(xié)議控制器與物理總線之間的接口，控制從can控制器到總線物理層或相反的邏輯電平信號。它的性能決定了總線接口、總線終端、總線長度和節(jié)點數(shù)，是影響整個總線網(wǎng)絡通信性能的關(guān)鍵因素之一。can控制器執(zhí)行在can規(guī)范里規(guī)定的完整的can協(xié)議，它通常用于報文緩沖和驗收濾波，對外具有與主控制器和總線收發(fā)器的接口。主控制器負責執(zhí)行應用的功能，例如控制命令的發(fā)送、讀傳感器和處理人機接口等。它通過對can控制器進行編程，來控制can總線的工作方式和工作狀態(tài)，以及進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
圖1can模塊系統(tǒng)構(gòu)成
1.2接口電路設(shè)計
接口電路如圖2所示。sja1000的ad0~ad7地址數(shù)據(jù)復用端口、ale地址鎖存端口、rd、wr、片選cs端口均通過轉(zhuǎn)換芯片與fpga的i/o口相連。sja1000的中斷輸出信號int連入fpga，使can通信可以采用中斷或查詢方式。rst端口的電路實現(xiàn)sja1000的上電自動復位功能。mode模式選擇端接+5v，設(shè)置sja1000控制器為in模式。sja1000的時鐘晶振采用16mhz，頻率調(diào)整電容取15pf。r16為終端電阻，設(shè)計中取120ω。can驅(qū)動器pca82c250的rs腳為工作模式選擇位，接地工作于高速模式，接高工作于待機模式。系統(tǒng)通過電阻r14將芯片設(shè)定于斜率控制模式，電阻值為47kω，這時can總線應工作于低速模式，可提高can總線抵抗射頻干擾的能力。在這種情況下，可直接使用非屏蔽雙絞線作為總線。
設(shè)計中有2點需要特別注意：*點是fpga并沒有與sja1000直接相連。這是因為對于設(shè)計選取的fpgaxcv600，其接口電平不支持5vttl的i/o標準，如果與5vi/o標準的sja1000直接相連，將可能導致fpga管腳電流過大，造成器件鎖死或者燒毀。為此采用雙向總線收發(fā)器74alvc164245，把sja1000的5vttl電平信號ad0~ad7、
、ale轉(zhuǎn)換成3。3vi/o標準信號，連接到fpga的引腳上。74alvc164245有2個8位電平轉(zhuǎn)換端口，可獨立操作。其中電平信號ad0~ad7必須按順序連接在總線收發(fā)器的一個8位端口上，不可以分開。第二點是：在can控制器與收發(fā)器之間不采用光電隔離。這是因為增加光電隔離雖然能增強系統(tǒng)的抗*力，但也會增加can總線有效回路信號的傳輸延遲時間，導致通信速率或距離減少。82c250等型號的can收發(fā)器本身具備瞬間抗干擾、降低射頻干擾（rfi）以及實現(xiàn)熱防護的能力，它具有的電流限制電路還提供了對總線的進一步保護功能。如果現(xiàn)場傳輸距離近、電磁干擾小，可以不采用光電隔離，以使系統(tǒng)達到zui大的通信速率或距離。
圖2接口電路
2、系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.1設(shè)計流程
fpga對can總線通訊模塊的控制主要包括3部分：can總線節(jié)點初始化、報文發(fā)送和報文接收。由于通訊模塊對接收數(shù)據(jù)的實時性要求并不是很高，因此can總線的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送采用查詢方式。
2.1.1初始化過程
系統(tǒng)上電后首先對82c250和sja1000進行初始化，以確定工作主頻、波特率、輸出特性等。sja1000的初始化只有在復位模式下才可以進行，初始化主要包括工作方式的設(shè)置、驗收濾波方式的設(shè)置、驗收屏蔽寄存器（amr）和驗收代碼寄存器（acr）的設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置和中斷允許寄存器（ier）的設(shè)置等。在完成sja1000的初始化設(shè)置以后，sja1000就可以回到工作狀態(tài)，進行正常的通信任務。設(shè)計中使sja1000工作在pelican的方式下。
2.1.2發(fā)送過程
發(fā)送時，用戶只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定的格式組合成一幀報文，送入sja1000發(fā)送緩沖區(qū)中，然后啟動sja1000發(fā)送即可。當然，在往sja1000發(fā)送緩存區(qū)送報文之前，必須先判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否鎖定，如果鎖定則等待；判斷上次發(fā)送是否完成，未完成則等待發(fā)送完成。fpga通過sja1000向can總線進行數(shù)據(jù)發(fā)送的流程圖如圖3所示。
圖3發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖
2.1.3接收過程
接收子程序負責節(jié)點報文的接收以及其他情況處理。接收子程序比發(fā)送子程序要復雜一些，因為在處理接收報文的過程中，同時要對諸如總線關(guān)閉、錯誤報警、接收溢出等情況進行處理。只有在總線正常，沒有錯誤報警，并且接收緩沖區(qū)中有新報文，才開始進行數(shù)據(jù)接收操作。對接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀取完畢后釋放can接收緩沖區(qū)。fpga通過sja1000接收can總線上的數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。
圖4接收數(shù)據(jù)流程圖
2.2fpga頂層模塊設(shè)計
fpga頂層的模塊設(shè)計如圖5所示。其中clkdiv模塊是將輸入的50mhz時鐘clock十分頻后作為模塊基準時鐘。sjactrol模塊是控制總線通信的主模塊，而r&w模塊則是根據(jù)主模塊的信號生成sja1000所需要的讀寫時序信號。sjactrol模塊通過start和iswr兩個信號通知r&w模塊是否要進行讀或?qū)懣偩€操作。若是寫操作，則將地址和數(shù)據(jù)通過addrout和dataout傳遞給r&w，r&w將負責把數(shù)據(jù)準確地送到sja1000的數(shù)據(jù)地址復用總線addr，并驅(qū)動sja1000接收數(shù)據(jù)，在寫操作完成后發(fā)送writeover信號通知sjactrol寫操作完成。讀操作時r&w根據(jù)sjactol送來的地址，從sja1000的數(shù)據(jù)總線上讀取數(shù)據(jù)，并將得到的數(shù)據(jù)通過datasave總線返回給sjactrol。
圖5頂層模塊設(shè)計
sjactrol的狀態(tài)機通過5個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)控制：空閑狀態(tài)、初始化狀態(tài)、查詢狀態(tài)、讀狀態(tài)、寫狀態(tài)。r&w則是按照sja1000的芯片數(shù)據(jù)手冊進行時序邏輯設(shè)計。在編寫模塊時，需注意雙向總線的編寫技巧。雙向口在頂層定義，否則模塊綜合的時候容易出錯。
3、仿真結(jié)果
fpga中利用verilog編程產(chǎn)生sja1000的片選信號cs，地址鎖存信號ale，讀寫信號rd、wr。這些控制信號共同驅(qū)動sja1000進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。設(shè)計選取的是virtex系列的芯片，邏輯開發(fā)在ise平臺上進行。在fpga的調(diào)試階段，使用xilinx的應用軟件chipscopepro（在線邏輯分析儀）來在線觀察fpga設(shè)計內(nèi)部信號的波形，它比傳統(tǒng)的邏輯分析儀更方便。圖6為在線進行數(shù)據(jù)傳送接收時的實際波形。
圖6sja1000接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的時序仿真
4、結(jié)束語
通過對can通信系統(tǒng)的分析，利用fpga作為can通信節(jié)點的主控制單元，對can節(jié)點的硬件接口電路設(shè)計方案進行了詳細的說明，并編寫了can節(jié)點通信流程中的初始化程序、數(shù)據(jù)發(fā)送接收程序。通過軟硬件的聯(lián)調(diào)，實現(xiàn)了can總線的通信功能，系統(tǒng)工作狀態(tài)良好。實踐證明can通信節(jié)點采用fpga作為核心控制單元，與傳統(tǒng)的單片機設(shè)計相比，更加靈活并且擴展性更強。