車載CAN總線記錄儀的大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言
    CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))總線是德國Bosch公司在20世紀(jì)80年代初，為了解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它的短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、非破壞性總線性仲裁技術(shù)以及靈活的通信方式適應(yīng)了汽車的實(shí)時(shí)性和可靠性要求，倍受汽車生產(chǎn)廠商的青睞。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車上的ECU(Electronic Control Unit，電子控制單元)越來越多，如電控燃油噴射系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、防滑控制系統(tǒng)等，相應(yīng)的數(shù)據(jù)量也越來越大，如何采用合理的存儲(chǔ)方案是記錄儀等大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文詳細(xì)闡述了大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、硬件電路設(shè)計(jì)。利用“FPGA+單片機(jī)”作為存儲(chǔ)控制器，采用基于LZW算法的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，以SDRAM作為周期存儲(chǔ)和緩存，SD卡作為最終存儲(chǔ)載體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該存儲(chǔ)系統(tǒng)可以很好地應(yīng)用于車載信息記錄儀。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    如圖1所示，存儲(chǔ)系統(tǒng)主要包括以下模塊：FPGA主控模塊、CAN總線監(jiān)聽控制模塊、數(shù)據(jù)壓縮模塊、SDRAM控制模塊和單片機(jī)控制CH376模塊。本文主要介紹存儲(chǔ)部分，CAN總線監(jiān)聽控制模塊不做介紹。圖中，點(diǎn)畫線內(nèi)的部分均由FPGA控制。后端SD卡由MSP430單片機(jī)控制，SD協(xié)議芯片采用CH376。FPGA控制CAN總線控制芯片、CAN總線收發(fā)器從總線上獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)壓縮模塊壓縮，存入SDRAM里。這里采用兩種存儲(chǔ)模式：一種是利用SDRAM存儲(chǔ)的可覆蓋性進(jìn)行周期存儲(chǔ)，具體存儲(chǔ)周期由壓縮率和SDRAM容量決定；另一種是直接存儲(chǔ)，SDRAM作為緩存。當(dāng)選擇直接存儲(chǔ)時(shí)，F(xiàn)PGA與單片機(jī)通信，利用FIFO給單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)控制CH376將數(shù)據(jù)存入SD卡(存儲(chǔ)時(shí)間由SD卡容量決定)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 FPGA主控模塊
    FPGA選用Altera公司的Cyclone II系列芯片EP2C5T14418N，它具有內(nèi)部資源豐富、速度快的特點(diǎn)。上電后，主控模塊使能CAN總線監(jiān)聽控制模塊、數(shù)據(jù)壓縮模塊、SDRAM控制模塊。如果選擇周期存儲(chǔ)，則不使能單片機(jī)；若選擇直接存儲(chǔ)，則讓單片機(jī)處于低功耗狀態(tài)，當(dāng)SDRAM有數(shù)據(jù)時(shí)FPGA把數(shù)據(jù)發(fā)給單片機(jī)，并使其控制CH376工作。
2．2 數(shù)據(jù)壓縮模塊
    壓縮算法采用LZW算法。該算法是一種基于字典的壓縮算法，在數(shù)據(jù)的壓縮過程中會(huì)根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地建立一個(gè)字典。后續(xù)輸入的數(shù)據(jù)都會(huì)在這個(gè)字典中進(jìn)行匹配查找，根據(jù)查找是否成功決定壓縮編碼的輸出。該算法的巧妙之處在于，壓縮過程中動(dòng)態(tài)建立的字典不需要與壓縮數(shù)據(jù)流一道進(jìn)行傳輸和存儲(chǔ)，然而在對數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓時(shí)也能夠通過壓縮數(shù)據(jù)流重新建立一個(gè)字典，來完成解壓縮。LZW壓縮算法流程如圖2所示。根據(jù)該流程，采用C語言設(shè)計(jì)壓縮與解壓縮軟件以驗(yàn)證算法和硬件壓縮的正確性，用Verilog語言編寫了壓縮代碼，利用FPGA內(nèi)部RAM資源建立字典。LZW壓縮算法的硬件邏輯功能框圖如圖3所示。

2．3 SDRAM控制模塊
    SDRAM(同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)是一種易失性存儲(chǔ)器，以其容量大、價(jià)格低的特點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用。但其控制邏輯復(fù)雜，需要周期性刷新操作、行列管理、不同延時(shí)和命令序列等。圖4是SDRAM的控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

2．4 單片機(jī)控制CH376模塊
    CH376是一款國產(chǎn)文件管理控制芯片，用于單片機(jī)系統(tǒng)讀寫U盤或者SD卡中的文件。CH376內(nèi)置了SD卡的通信接口、FATl6、FAT32以及FAT l2文件系統(tǒng)等固件，無需自己編寫底層協(xié)議，控制簡單，提供2 MB、24MHz的SPI設(shè)備接口，支持連接到單片機(jī)的SPI串行總線。CH376應(yīng)用連接圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)仿真與測試
    程序編寫完之后，利用Modelsim語言仿真軟件對其進(jìn)行仿真。ModelSim能提供友好的仿真環(huán)境，是單內(nèi)核支持VHDL和Verilog混合仿真的仿真器。它采用直接優(yōu)化的編譯技術(shù)、Tcl／Tk技術(shù)和單一內(nèi)核仿真技術(shù)，編譯仿真速度快，編譯的代碼與平臺無關(guān)，是FPGA／ASIC設(shè)計(jì)的首選仿真軟件。硬件壓縮與存儲(chǔ)模塊仿真如圖6所示。仿真結(jié)果表明，硬件壓縮與軟件壓縮完全符合。

結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)了基于“FPGA+單片機(jī)”的車載CAN總線采集系統(tǒng)。利用FPGA的優(yōu)勢編寫了數(shù)據(jù)壓縮和SDRAM控制兩個(gè)模塊，作為存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心部分；利用單片機(jī)控制能力強(qiáng)、簡單的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了SD卡存儲(chǔ)控制器，作為數(shù)據(jù)的最終存儲(chǔ)介質(zhì)，以方便用戶在計(jì)算機(jī)上直接讀取數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，適合長時(shí)間記錄數(shù)據(jù)。