基于FPGA的CAN總線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

時(shí)旭++付成偉

摘 要： 為了避免單片機(jī)的缺陷，同時(shí)滿足工業(yè)上穩(wěn)定，精確的數(shù)據(jù)通信需求，在此提出了基于FPGA的通信系統(tǒng)，通過(guò)控制CAN控制器SJA1000，從而實(shí)現(xiàn)CAN總線的數(shù)據(jù)通信的設(shè)計(jì)。介紹了該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理，針對(duì)FPGA的控制流程和原理進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該CAN通信系統(tǒng)滿足通信需求，較以往的單片機(jī)CAN通信系統(tǒng)具有更高性能和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞： FPGA； CAN總線通信； CAN控制器； 數(shù)據(jù)通信

中圖分類號(hào)： TN958?34； TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）22?0059?03

0 引 言

CAN總線全稱為控制器局域網(wǎng)是一個(gè)可以多個(gè)主機(jī)同時(shí)使用的異步串行總線，是在國(guó)際上被應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一；而且其同時(shí)也是惟一被ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織批準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。由于其優(yōu)良的性能及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在控制系統(tǒng)中。通常CAN總線的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用的是MCU（STM32等單片機(jī)）+CAN控制器（SJA1000）+CAN收發(fā)器（CTM8251T）的方案，但是單片機(jī)有諸多缺點(diǎn)的；所以本平臺(tái)提出的設(shè)計(jì)方案采用FPGA（主控芯片）+CAN控制器（SJA1000）+CAN收發(fā)器（CTM8251T）的通信方案。與原始的通信方案相比，由于FPGA運(yùn)行速度快、運(yùn)算能力強(qiáng)、管腳相比單片機(jī)要更加豐富、在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)上更加出眾，同時(shí)FPGA內(nèi)部在執(zhí)行程序時(shí)是并行運(yùn)行的、在處理復(fù)雜邏輯上更突出，并且運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，后期的擴(kuò)展更加方便，所以本設(shè)計(jì)選用FPGA作為總體的模塊控制器。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

其中在硬件的選取上，F(xiàn)PGA模塊使用的是以EP3C25為主芯片的EP3C25Q240芯片，采用EPCS16作為內(nèi)部的配置芯片。芯片的等效邏輯門(mén)數(shù)量龐大，大約為65萬(wàn)門(mén)級(jí)，I/O口更是達(dá)到了173個(gè)，同時(shí)擁有4個(gè)PLL。其不僅功能強(qiáng)大，而且對(duì)后期的功能擴(kuò)展和開(kāi)發(fā)提供了便利的條件。因?yàn)殡娫茨K沒(méi)有特別的要求，采用LM1117（3.3 V）和LM1117（5 V），前者是將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V，后者是將12 V轉(zhuǎn)換成5 V。這兩款芯片負(fù)責(zé)給除FPGA以外所有硬件供電，而FPGA應(yīng)用自己本身的5 V電源進(jìn)行供電。因?yàn)镕PGA的I/O需要連接3.3 V，而CAN控制器輸出電壓為5 V，如果直接相連會(huì)導(dǎo)致I/O口燒毀，對(duì)FPGA造成損壞。所以通過(guò)一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V，電平轉(zhuǎn)換器選用SN74ALVC164245，這款電平轉(zhuǎn)換器具有三態(tài)輸出16位2.5～3.3 V或3.3～5 V電平轉(zhuǎn)換收發(fā)器，非常適用于本設(shè)計(jì)。

CAN控制器選用Philips公司的SJA1000，CAN收發(fā)器選用的是CTM8251。CTM8251這款芯片本身帶有隔離，抗干擾能力強(qiáng)，所以不需要設(shè)計(jì)隔離電路。為了避免干擾，提高CAN收發(fā)器接受的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定，在CTM8251的CAN_H，CAN_L之間連接一個(gè)120 Ω的阻抗匹配電阻。在使用SJA1000時(shí)，將RX1管腳接地，啟用它的旁路功能，這樣可以減少數(shù)據(jù)傳送延時(shí)，提高通信的長(zhǎng)度。最后進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明硬件設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)CAN總線的數(shù)據(jù)通信。

2 FPGA控制程序和邏輯原理

本設(shè)計(jì)的核心是保證FPGA與SJA1000之間的準(zhǔn)確通信，為了保證FPGA與SJA1000之間能夠準(zhǔn)確無(wú)誤的通信，在他們之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，必須要按照SJA1000的時(shí)序邏輯進(jìn)行通信。SJA1000的地址總線和地?cái)?shù)據(jù)總線使用的是同一個(gè)總線而且是并行總線。在進(jìn)行硬件連接、讀/寫(xiě)操作時(shí)，采用的SJA1000工作模式為INTERL模式。該模式下的信號(hào)有[RD]，[WR]，ALE，[CS]，ADD和DATA。[RD]為讀信號(hào)，低電平有效；[WR]為寫(xiě)信號(hào)，低電平有效；ALE為地址鎖存，下降沿有效；[CS]為片選，低電平有效；ADD是地址總線；DATA為數(shù)據(jù)總線。在編寫(xiě)FPGA的控制邏輯時(shí)，需要嚴(yán)格根按照SJA1000的讀/寫(xiě)時(shí)序圖。如圖2為SJA1000讀周期時(shí)的時(shí)序圖，圖3是其寫(xiě)周期時(shí)的時(shí)序圖。

對(duì)SJA1000進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)的狀態(tài)圖如圖4所示。根據(jù)ALE，[RD]，[WR]和[CS]的狀態(tài)，進(jìn)行狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)移。

在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，程序首先對(duì)SJA1000進(jìn)行初始化，初始化完成后，進(jìn)行查詢，檢測(cè)ALE管腳的狀態(tài)，當(dāng)ALE出現(xiàn)低電平時(shí)，地址總線被鎖定，并將此時(shí)的地址總線上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊JA1000，否則程序會(huì)保持在查詢狀態(tài)；地址數(shù)據(jù)傳輸后，進(jìn)入等待的狀態(tài)機(jī)中，在等待狀態(tài)，地址已經(jīng)被鎖定，設(shè)置好片選信號(hào)，同時(shí)檢測(cè)寫(xiě)操作[WR]的信號(hào)時(shí)鐘狀態(tài)，當(dāng)寫(xiě)操作的信號(hào)為有效時(shí)，進(jìn)入寫(xiě)操作狀態(tài)，在寫(xiě)操作狀態(tài)，檢測(cè)WR信號(hào)，當(dāng)WR信號(hào)出現(xiàn)低電平時(shí)，將數(shù)據(jù)鎖定，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊JA1000，數(shù)據(jù)處理則是當(dāng)查詢到發(fā)送緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)后，寫(xiě)入幀數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理，而緩沖區(qū)則是在數(shù)據(jù)處理完成后將緩沖區(qū)進(jìn)行釋放。這樣FPGA內(nèi)部程序就通過(guò)狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)移完成SJA1000數(shù)據(jù)的寫(xiě)操作。根據(jù)同樣的原理可以利用FPGA對(duì)SJA1000進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀操作。讀過(guò)程中根據(jù)的是3 程序仿真

本設(shè)計(jì)在Quartus 8.0和Modelsim軟件上進(jìn)行程序的編寫(xiě)和程序的綜合及仿真，并在實(shí)際應(yīng)用上得到了驗(yàn)證。驗(yàn)證過(guò)正中，應(yīng)用周立功的USB?CAN Ⅱ和上位機(jī)的ZLGCAN軟件進(jìn)行CAN總線的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)應(yīng)用ChipScope軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和測(cè)試，采用的測(cè)試數(shù)據(jù)為00，01，02，03，04，05，06，07，這樣的數(shù)據(jù)既容易觀察又可以驗(yàn)證通信的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)波形如圖6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

該設(shè)計(jì)采用以FPGA（EP3C25）作為系統(tǒng)的主控制器，滿足了系統(tǒng)的需求。與以MCU為控制器的原始系統(tǒng)相比，主控制器的功能和運(yùn)算能力更加強(qiáng)大；同時(shí)本設(shè)計(jì)在硬件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，使通信速度和通信的最大長(zhǎng)度得到提升，而且本設(shè)計(jì)運(yùn)行的穩(wěn)定性高，擴(kuò)展性強(qiáng)，應(yīng)用市場(chǎng)更加廣泛，為CAN總線的通信方式提供了更好的應(yīng)用基礎(chǔ)。

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