基于FPGA和控制器MCP2517FD設(shè)計(jì)的CAN FD總線接口

張波濤

摘要：CAN（Control Area Network，控制器局部網(wǎng)）總線廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，傳輸速率的應(yīng)用已經(jīng)逐漸逼近CAN總線的帶寬，急需更高速率帶寬的總線通訊方式，CAN FD（CAN with Flexible Data-Rate，帶靈活可變數(shù)據(jù)波特率的CAN總線）總線應(yīng)運(yùn)而生，可以實(shí)現(xiàn)更高速率和更長有效載荷。本文提出了一種CAN FD總線接口設(shè)計(jì)技術(shù)，通過靈活的FPGA（Field-Programmable Gate Array，即現(xiàn)場可編程門陣列）設(shè)計(jì)SP（Iserial peripheral inter-face，串行外圍設(shè)備接口）接口控制CAN FD芯片MCP2517FD，實(shí)現(xiàn)CAN FD總線接口的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后，可以根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用提出的新要求對FPGA進(jìn)行升級(jí)，增加了使用的靈活性。

關(guān)鍵詞：FPGA;CAN;FD;MCP2517FD;SPI

CAN總線屬于現(xiàn)場總線的范疇是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，最初是由德國BOSCH公司為汽車的監(jiān)測和控制而設(shè)計(jì)的，后來逐漸發(fā)展到用于其它工業(yè)領(lǐng)域。CAN總線具有低成本、極高的總線利用率、長達(dá)10km的數(shù)據(jù)傳輸距離，高達(dá)1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率、可根據(jù)報(bào)文ID進(jìn)行選擇，可靠的錯(cuò)誤處理機(jī)制、自動(dòng)重發(fā)被破壞的信息、節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下可自動(dòng)退出總線等特點(diǎn)。

CAN FD總線兼具CAN總線的特點(diǎn)，在其基礎(chǔ)上傳輸速率帶寬由1Mbps提升至10Mbps，采用新的DLC（Data Length code）編碼方式使數(shù)據(jù)場長度由8 個(gè)字節(jié)增加至64個(gè)字節(jié)，更大程度上滿足了工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ诟咚俾蕚鬏數(shù)男枨蟆?/p>

為了靈活的使用CAN FD總線，本文提出一種靈活的CAN FD總線接口設(shè)計(jì)技術(shù)，即使用FPGA和控制器MCP2517FD實(shí)現(xiàn)CAN FD接口設(shè)計(jì)的方案，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)CAN總線接口通訊，同時(shí)對于后期使用過程中，可以根據(jù)不同的要求進(jìn)行升級(jí)，增加使用的靈活性。

1總線控制器MCP2517FD簡介

為了實(shí)現(xiàn)CAN FD總線的應(yīng)用，Microchip公司在CAN總線控制器MCP2515的基礎(chǔ)上推出了MCP2517FD，它既可以滿足CAN總線的技術(shù)要求，又可以實(shí)現(xiàn)CAN FD總線的使用，帶有符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，具有體積小，易使用及低成本等特點(diǎn)。

MCP2517FD主要功能參數(shù)如下：

1.??? 支持CAN2.0B和CAN FD協(xié)議;

2.??? 仲裁域速率可達(dá)1Mbps，數(shù)據(jù)域速率可達(dá)8Mbps;

3.??? 有標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種可供選擇，每幀包含的數(shù)據(jù)長度為0～8個(gè)字節(jié)（CAN2.0B協(xié)議）或0～64個(gè)字節(jié)（CAN FD協(xié)議）;

4.??? 支持遠(yuǎn)程幀;

5.??? 內(nèi)含31個(gè)FIFO，都可以通過配置作為發(fā)送或接收FIFO使用;內(nèi)含1 個(gè)發(fā)送隊(duì)列;內(nèi)含具有32位時(shí)間戳的發(fā)送事件FIFO;

6.??? 有可編程的自動(dòng)重傳機(jī)制：分別為無限次數(shù)、3次或禁用;

7.??? 內(nèi)含32個(gè)靈活的過濾器和掩蓋對象，每個(gè)對象都可以配置為過濾：標(biāo)準(zhǔn)ID+前 18個(gè)數(shù)據(jù)位或擴(kuò)展ID;

8.??? 有多達(dá)3 個(gè)中斷引腳;

9.??? 支持高達(dá)20MHz的SPI時(shí)鐘速率，支持SPI模式0，0和 1，1;

10.? 帶有CRC的SPI命令以檢測SPI接口上的噪聲，有受糾錯(cuò)編碼保護(hù)的RAM

11.? 40、20或 4MHz晶體、陶瓷諧振器或外部時(shí)鐘輸入，帶預(yù)分頻的時(shí)鐘輸出;

12.工作電壓：2.7V～5.5V;

13.使用5.5V電壓、40MHz時(shí)鐘時(shí)工作電流最大為12mA，睡眠模式下電流為10μA。

2硬件電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的是CAN FD總線接口，因此硬件電路設(shè)計(jì)采用Altera公司的EP1C20F324I7N芯片產(chǎn)生控制時(shí)序邏輯;采用Altera公司的EPCS4SI8芯片作為FPGA的配置芯片;采用Microchip公司的控制器MCP2517FD實(shí)現(xiàn)CAN FD總線協(xié)議;采用NXP公司TJA1044GT芯片作為總線的收發(fā)器，將總線控制器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合CANFD總線格式的信號(hào);FPGA和MCP2517FD總線控制器使用的時(shí)鐘為20MHz。

CAN FD總線硬件電路設(shè)計(jì)如圖1 所示。

3???? FPGA軟件設(shè)計(jì)

CAN FD總線接口的軟件設(shè)計(jì)主要分為邏輯時(shí)序控制模塊和SPI接口模塊，其中邏輯時(shí)序控制模塊主要實(shí)現(xiàn)MCP2517FD總線控制器的初始化、數(shù)據(jù)處理及輸出和響應(yīng)CAN FD總線控制指令等功能;SPI接口模塊主要實(shí)現(xiàn)FPGA與MCP2517FD的通訊。SPI指令格式見表1，除復(fù)位采用16位指令，其余讀寫均采用48位指令（即4 位命令+12位地址+32位數(shù)據(jù)）。軟件各功能模塊如圖2 所示。

3.1? 邏輯時(shí)序控制模塊

注：C= 命令（4 位），A= 地址（12 位），D= 數(shù)據(jù)（1～n 字節(jié)），N= 字節(jié)數(shù)（1 字節(jié)），CRC（2 字節(jié)）

3.1.1????? 總線控制器的初始化

總線控制器的初始化主要包括MCP2517FD特定寄存器的初始化和CAN FD控制器模塊寄存器的初始化，分別是對控制器和總線通訊格式進(jìn)行的初始化。具體內(nèi)容見下：

a）??? 初始化MCP2517FD特定寄存器

1）??? 復(fù)位使芯片進(jìn)入配置模塊;

2）??? 初始化時(shí)鐘、I/O口、校驗(yàn)及糾錯(cuò)碼。

b）??? 初始化CAN FD控制器模塊寄存器

1）??? 設(shè)置控制模式為配置模式;

2）??? 初始化仲裁域與數(shù)據(jù)域的傳輸速率及采樣點(diǎn);

3）??? 初始化發(fā)送請求、發(fā)送延遲補(bǔ)償及中斷等寄存器;

4）??? 初始化輸出FIFO和輸入FIFO及過濾器;

5）??? 設(shè)置控制模式為CAN FD模式。

3.1.2????? 數(shù)據(jù)處理及輸出

數(shù)據(jù)處理主要是將輸入的系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合對外通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)格式，將符合通訊協(xié)議格式的數(shù)據(jù)寫入控制器MCP2517FD的輸出FIFO中，然后通過發(fā)送請求寄存器控制MCP2517FD將FIFO中的數(shù)據(jù)輸出。流程圖見圖3。

3.1.3響應(yīng)總線控制指令

從MCP2517FD的輸入FIFO中讀取接收到的指令進(jìn)行判斷，若指令符合接口協(xié)議，則依據(jù)協(xié)議執(zhí)行指令，清除輸入FIFO;若指令不符合接口協(xié)議，清除輸入FIFO，不作任何處理。流程見圖4。

3.2? SPI接口模塊

FPGA和控制器MCP2517FD之間通過SPI接口進(jìn)行通訊，F(xiàn)PGA為主控器，MCP2517FD為從控器，主要有四個(gè)信號(hào)：SCK-串行時(shí)鐘;CS-片選;SDO-MCP2517FD送給FPGA的數(shù)據(jù);SDI-FPGA送給MCP2517FD的數(shù)據(jù)。SPI接口選擇0，0模式傳輸，傳輸時(shí)先傳輸數(shù)據(jù)最高位，在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿讀取數(shù)據(jù)，傳輸?shù)牟ㄌ芈视蒄PGA控制實(shí)現(xiàn)，滿足不大于20MHz的要求，SPI數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序見圖5。

4結(jié)束語

本文提出了基于FPGA和控制器MCP2517FD的CAN FD總線接口的設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)論述了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，滿足了系統(tǒng)對高速率通訊的需求，目前該設(shè)計(jì)方案已在某型高度表系統(tǒng)中得以成功應(yīng)用。由于該設(shè)計(jì)方案采用模塊化設(shè)計(jì)方法，同時(shí)控制器MCP2517FD兼容CANFD和CAN2.0B總線接口，因此通過簡單的修改軟件，就可以實(shí)現(xiàn)CAN總線接口。

參考文獻(xiàn)：

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