基于FPGA的CAN總線控制器SJA1000軟核的設(shè)計(jì)

摘要：分析了CAN控制器SJA1000的特點(diǎn)及CAN協(xié)議通信格式。設(shè)計(jì)了控制器SJA1000的IP軟核，能為應(yīng)用提供一個(gè)性能優(yōu)良的、易于移植的控制器SJA1000，實(shí)現(xiàn)了對步進(jìn)電機(jī)的控制。
關(guān)鍵詞：FPGA；CAN控制器；SJA1000

    控制局域網(wǎng)(CAN)屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性好，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，通?；贏RM或51單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)與CAN控制器的通信聯(lián)絡(luò)。FPGA／SOPC技術(shù)是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的最高形式，基于IP軟核的設(shè)計(jì)與應(yīng)用也必將成為替代硬核的一種發(fā)展趨勢。憑借QuartuslI和NiosII工具，基于FPGA的VHDL(或Verilog)語言設(shè)計(jì)的IP核能夠提供靈活性和性能更好的控制器。
    圖1為一個(gè)基于FPGA的控制器的CAN總線節(jié)點(diǎn)。其中PCA82C251是CAN總線接收器，SJA1000是CAN總線通信控制器，PMM8713是驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配器，F(xiàn)PGA模塊在節(jié)點(diǎn)模型中對SJA1000進(jìn)行控制，并將接收到的幀信息進(jìn)行處理，發(fā)送給脈沖分配器，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。

    在設(shè)計(jì)中采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法。通過分析SJA1000常用的控制芯片51單片機(jī)的功能，將其分為主要的4個(gè)模塊：初始化模塊、位查詢模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和緩沖區(qū)釋放模塊。
    對SJA1000完成控制功能的過程用狀態(tài)圖描述如圖2所示，這也是系統(tǒng)的主狀態(tài)機(jī)。4個(gè)狀態(tài)對應(yīng)上述的4個(gè)功能模塊，首先在initial_st-ate完成對sJA1000的初始化，在由init_end信號給出初始化完成標(biāo)志后，進(jìn)入查詢狀態(tài)，即query_RBS狀態(tài)，由位查詢模塊完成此時(shí)對SJA100 0的狀態(tài)查詢。如果查詢到SJA1000緩沖區(qū)有幀信息，將qRBS_end置“1”，進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)frame_cope，即幀處理狀態(tài)，此時(shí)由數(shù)據(jù)處理模塊完成對緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀取，并作處理。在讀取完一幀數(shù)據(jù)后，需要釋放緩沖區(qū)，為下一幀信息的接收做準(zhǔn)備。此時(shí)狀態(tài)轉(zhuǎn)入了release_buff-er，對應(yīng)功能模塊中的緩沖區(qū)釋放模塊，此狀態(tài)結(jié)束后又轉(zhuǎn)入位查詢狀態(tài)，為下一幀信息接收做準(zhǔn)備。

    初始化模塊主要在系統(tǒng)上電或重啟后，先對SJA1000進(jìn)行初始化；位查詢模塊是在初始化完成后，對SJA1000狀態(tài)寄存器的接收緩沖區(qū)標(biāo)志位不斷進(jìn)行查詢，如果在緩沖區(qū)收到一幀信息后，則轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)處理模塊，否則繼續(xù)進(jìn)行查詢；數(shù)據(jù)處理模塊則是在查詢到接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)后，讀入幀數(shù)據(jù)，并對幀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；緩沖區(qū)釋放模塊是在一幀信息處理完畢后，釋放緩沖區(qū)空間。
    除了上述4個(gè)功能模塊之外，還需要讀寫模塊、雙端口模塊、模塊接口控制邏輯等。

1 讀寫模塊
    由SJA1000的數(shù)據(jù)手冊可知，SJA1000提供的微處理器接口信號有地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線AD0～AD7、地址鎖存信號ALE、片選信號、讀寫使能信號和、以及復(fù)位信號。
    SJA1000的數(shù)據(jù)信號和地址信號是時(shí)分復(fù)用的，而FPGA中不存在地址的概念，對于FPGA來說，輸出的只有數(shù)據(jù)。因此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是把S-JA1000中的寄存器地址當(dāng)成數(shù)據(jù)寫入到SJA1000中，配合地址鎖存信號ALE和寫允許信號完成對SJA1000特定寄存器的命令字寫入。讀寫使能信號是、以及復(fù)位信號。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是把SJA1000中的寄存器地址當(dāng)成數(shù)據(jù)寫入到SJA1000中，配合地址鎖存信號ALE和寫允許信號完成對SJA1000特定寄存器的命令字寫入。與寫操作相似，只需嚴(yán)格按照時(shí)序，將ALE、、、引腳的電平互相配合置高或置低，即可完成讀操作。讀寫周期時(shí)序圖如圖3和圖4所示。

    設(shè)計(jì)時(shí)采用狀態(tài)機(jī)的形式，由讀寫時(shí)序圖可以看到，與SJA1000讀寫相關(guān)的控制信號有ALE、、、。無論讀寫，都必須先輸出地址，由接口控制邏輯模塊輸入地址。AD[7．．0]是數(shù)據(jù)雙向流通的，由雙端口模塊組成，讀寫模塊與之相接口，輸入、輸出設(shè)計(jì)分開。讀寫模塊在與接口控制邏輯接口模塊相連接時(shí)，輸出的數(shù)據(jù)與輸入的數(shù)據(jù)也設(shè)計(jì)分開。同樣讀寫模塊的開啟信號與讀／寫選擇信號也由接口控制邏輯給出。由QuartuslI生成的讀寫模塊如圖5所示。

    在IDLE狀態(tài)等待，當(dāng)4個(gè)功能模塊中需要使用讀寫功能時(shí)，由接口控制模塊控制使該功能模塊與讀寫模塊連接，相應(yīng)的功能模塊輸出地址到讀寫模塊，接口控制模塊配合給出讀寫選擇信號，然后進(jìn)入address狀態(tài)，輸出地址到SJA1000，判斷讀寫選擇信號后，進(jìn)入讀狀態(tài)或者寫狀態(tài)。在讀寫子狀態(tài)只需按照時(shí)序圖輸出ale、cs、wr、rd的值即可，標(biāo)志信號w_ok表示一次讀／寫完成。
    在SJA1000的讀寫過程中，對各個(gè)信號的持續(xù)時(shí)間有著嚴(yán)格的要求。以讀操作為例，信號的有效持續(xù)時(shí)間必須最大為50 ns，因此在設(shè)計(jì)中，信號保持低電平的時(shí)間可以比這個(gè)時(shí)間長。

2 接口控制邏輯模塊
    接口控制邏輯是本系統(tǒng)的核心模塊，它與4個(gè)功能模塊、讀寫模塊相連接，由一個(gè)狀態(tài)機(jī)組成，即系統(tǒng)的主狀態(tài)機(jī)。在狀態(tài)機(jī)的不同狀態(tài)中，控制讀寫狀態(tài)機(jī)與對應(yīng)的功能模塊相連接，3個(gè)模塊互相配合完成一項(xiàng)功能。QuartuslI生成的模塊圖如6所示。

    每一個(gè)功能模塊都有對應(yīng)的接口信號，而data_in_infer、addr_out_infer、data_in_infer、w_ok_in、r_ok_in是讀寫模塊的信號接口。
    需要注意的是，本系統(tǒng)中使用了主從狀態(tài)機(jī)，即狀態(tài)機(jī)的嵌套。在主狀態(tài)進(jìn)入初始化狀態(tài)機(jī)后，立即給出一個(gè)enable信號，啟動從狀態(tài)機(jī)，并設(shè)置一個(gè)從狀態(tài)機(jī)的完成信號finish(高電平有效)，且初始值為低，然后在主狀態(tài)機(jī)不停的檢測finish信號，如果finish為高，則進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)，查詢狀態(tài)。而在從狀態(tài)機(jī)中，則不停地檢測enable信號，如果為高，則開始工作，當(dāng)完成從狀態(tài)機(jī)后，將finish信號置高。如此就完成了主從狀態(tài)機(jī)的互動。接口控制邏輯模塊中的start、end信號即為系統(tǒng)主從狀態(tài)機(jī)互動信號。

3 初始化模塊
    初始化模塊的功能是完成SJA1000的初始化。CAN2．0B規(guī)范允許SJA1000工作在兩種模式，即BasicCAN模式和PeliCAN模式，上電默認(rèn)為BasicCAN模式。在兩種模式下都需要對SJA1000的模式寄存器CR、驗(yàn)收碼寄存器ACR、驗(yàn)收屏蔽寄存器AMR、總線定時(shí)寄存器BTR0、BTR1和輸出控制寄存器OCR寫入控制命令。
    在本設(shè)計(jì)中，借用ROM的思想，將需要讀寫的寄存器地址和數(shù)據(jù)統(tǒng)一編碼，固化存儲起來，對SJA1000進(jìn)行讀寫時(shí)，只需要按照一定的順序讀出數(shù)據(jù)和地址，輸出到即可。

4 位查詢模塊
    位查詢模塊主要功能是在SJA1000轉(zhuǎn)入工作模式后能夠讀取存在接受緩沖區(qū)RXFIFO的幀信息，在本設(shè)計(jì)中讀取幀信息采用了查詢方式，即不停地查詢SJA1000狀態(tài)寄存器SR的RBS位，如果查詢到RBS位為“1”，即表明接收緩沖區(qū)滿，RXFIFO中有可用信息，此時(shí)將轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)處理模塊，由數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)讀入，并進(jìn)行處理。在查詢過程中，對SJA1000的狀態(tài)寄存器進(jìn)行了讀操作。

5 數(shù)據(jù)處理模塊
    數(shù)據(jù)處理模塊功能是從SJA1000的緩沖區(qū)讀入數(shù)據(jù)，并作處理。在讀入數(shù)據(jù)時(shí)，只需將輸出的地址定位到SJA1000接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)場依次將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)讀入即可。在CAN總線的通信中，發(fā)送的為幀信息，其數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖7所示。

    在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，前16位為ID，有用的數(shù)據(jù)是在幀中的數(shù)據(jù)場(Data Field)中，因此只需略過前16位，對后面最多8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分配到步進(jìn)電機(jī)的引腳上即可。

6 緩沖區(qū)釋放模塊與雙端口模塊
    在緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)被讀入后，需要對緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)清零，為后續(xù)的數(shù)據(jù)讀入做準(zhǔn)備。本質(zhì)上仍是對SJA1000的命令寄存器(CMR)寫操作。在狀態(tài)寄存器與接收緩沖區(qū)相關(guān)的位為RRB，置1即可釋放緩沖區(qū)，這樣就會導(dǎo)致接收緩沖區(qū)內(nèi)的另一條信息立即有效，從而進(jìn)入下一幀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)查詢、處理過程。
    在本設(shè)計(jì)中，輸出的數(shù)據(jù)引腳為雙向引腳，設(shè)計(jì)成三態(tài)輸出，這是因?yàn)殡p向端口在完成輸入功能時(shí)，必須使端口處于高阻態(tài)，否則外部數(shù)據(jù)不能正確讀入。
    其設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于，實(shí)體部分必須對端口屬性進(jìn)行申明，端口屬性必須為inout類型，在構(gòu)造體對輸出信號進(jìn)行有條件的高阻控制。

結(jié)語
    CAN總線接口控制器由VHDL語言描述，易于修改和移植，可以將幾個(gè)軟核集成到一個(gè)FPGA芯片上去，具有單片機(jī)所沒有的優(yōu)勢，在汽車領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。