基于FPGA的CAN總線控制器設(shè)計(jì)

摘要：使用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言完成了對(duì)CAN總線控制器的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)符合CAN2．0A協(xié)議的所有功能。本總線控制器的外部接口采用Altera公司開(kāi)發(fā)的Avalon總線接口，增強(qiáng)了控制器的應(yīng)用靈活性。本設(shè)計(jì)使用Modelsim軟件完成了功能仿真和時(shí)序仿真。
關(guān)鍵詞：CAN總線；控制器；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

0 引言
    CAN(控制器局域網(wǎng))是一種先進(jìn)的串行通信協(xié)議，由德國(guó)BOSCH公司開(kāi)發(fā)，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)，是國(guó)際上使用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。目前世界上已有20多家CAN總線控制器生產(chǎn)商，110多種CAN總線控制器芯片和集成CAN總線控制器的微處理器芯片。
    由于定制的CAN總線控制器芯片不能嵌入到SoC(片上系統(tǒng))中，而采用分立元器件實(shí)現(xiàn)CAN總線接口，使得系統(tǒng)中器件數(shù)量增加，同時(shí)也增大了系統(tǒng)面積，本文所介紹的CAN總線控制器正是由Verilog HDL語(yǔ)言描述，既可以作為一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，也可以作為一個(gè)模塊集成到FPGA中。
    雖然目前國(guó)內(nèi)外已有很多人研究或設(shè)計(jì)了CAN總線控制器IP核，但其中大多數(shù)只是對(duì)控制器中的某一個(gè)模塊進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的CAN總線控制器的功能，例如文獻(xiàn)只對(duì)CAN控制器的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行研究，文獻(xiàn)只對(duì)CAN控制器的位定時(shí)模塊進(jìn)行研究。而完整實(shí)現(xiàn)了CAN總線控制器功能的作品中，最高工作頻率又不是很理想，例如Mentor Graphics公司提供的MCAN2D1 CAN2．0 Network Controller的最高工作頻率只有32．46MHz，文獻(xiàn)中介紹的CAN總線控制器的最高工作頻率也只有50MHz，這些IP核顯然不能適應(yīng)高速環(huán)境的要求，同時(shí)文獻(xiàn)中介紹的控制器對(duì)外接口中出現(xiàn)了寄存器使能位等接口，這種接口不符合Avalon總線規(guī)范，不利于集成到FPGA芯片中，其通用性肯定較差，所以研究并設(shè)計(jì)出一款高速且通用性強(qiáng)的CAN總線控制器的IP核仍然是有其重要意義的。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
1．1 系統(tǒng)框圖
    本設(shè)計(jì)中將整個(gè)CAN控制器系統(tǒng)分為了11個(gè)模塊，分別是Avalon總線接口模塊、寄存器組模塊、接收緩沖器模塊、發(fā)送緩沖器模塊、接收濾波模塊、CRC校驗(yàn)?zāi)K、狀態(tài)機(jī)模塊、標(biāo)識(shí)符填充模塊、錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器模塊、位填充模塊、位定時(shí)模塊。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．2 主要模塊介紹
1．2．1 寄存器組模塊
    本模塊由位寬為8bit，深度為256的寄存器組實(shí)現(xiàn)其功能，其中已經(jīng)使用的寄存器為23個(gè)，其余的供以后擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)采用將各個(gè)獨(dú)立的控制及狀態(tài)寄存器集成在一起的設(shè)計(jì)思想，任何對(duì)控制器的初始化以及數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送都是從寫寄存器組開(kāi)始的。
1．2．2 CRC校驗(yàn)?zāi)K
    CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn)碼)是一種能力非常強(qiáng)的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)碼，常用于串行傳送的輔助存儲(chǔ)器與主機(jī)的數(shù)據(jù)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中。它的基本原理是：在k位信息碼后再拼接r位的校驗(yàn)碼，整個(gè)編碼長(zhǎng)度為n位，因此，這種編碼又叫(n，k)碼。對(duì)于一個(gè)給定的(n，k)碼，可以證明存在一個(gè)最高次冪位n-k=r的多項(xiàng)式g(x)，根據(jù)g(x)可以生成七位信息的校驗(yàn)碼，而g(x)叫做這個(gè)CRC碼的生成多項(xiàng)式。
    CAN總線協(xié)議就是采用的CRC校驗(yàn)，并且是16位的C R C-1 6校驗(yàn)碼， 生成多項(xiàng)式為，可轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼組1100010110011001。生成CRC碼的具體過(guò)程是：由幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)(數(shù)據(jù)幀有數(shù)據(jù)場(chǎng)，遠(yuǎn)程幀沒(méi)有數(shù)據(jù)場(chǎng))組成的被除數(shù)右移15位后與生成多項(xiàng)式的二進(jìn)制碼組進(jìn)行模2除，生成的15位余數(shù)就是所需的CRC碼。
    本模塊的主要作用有兩個(gè)：1)在控制器處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，計(jì)算出CRC碼，同時(shí)將幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、(數(shù)據(jù)場(chǎng))、CRO場(chǎng)按幀格式的要求進(jìn)行打包；2)在控制器處于接收狀態(tài)時(shí)，將接收到的由幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、(數(shù)據(jù)場(chǎng))、CRC場(chǎng)組成的被除數(shù)與生成多項(xiàng)式的二進(jìn)制碼組進(jìn)行模2除，結(jié)果為0，則接受數(shù)據(jù)，不為0，則丟棄數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤。
1．2．3 立填充模塊
    在CAN總線協(xié)議中，當(dāng)控制器處于發(fā)送或接收狀態(tài)時(shí)，若控制器檢測(cè)到總線上出現(xiàn)連續(xù)6個(gè)相同極性的電平時(shí)(幀結(jié)尾除外)，控制器將會(huì)檢測(cè)到錯(cuò)誤而停止發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，此時(shí)控制器將會(huì)由發(fā)送或接收狀態(tài)轉(zhuǎn)換為錯(cuò)誤狀態(tài)。
    本模塊的主要作用是：在發(fā)送狀態(tài)時(shí)，連續(xù)發(fā)送5個(gè)相同極性的位時(shí)，若第5位與將要發(fā)送的第6位極性不同時(shí)，在第5位和第6位之間插入1個(gè)極性與第6位相同的位，若第5位與將要發(fā)送的第6位極性相同，在第5位和第6位之間插入1個(gè)極性與第6位相反的位；在接收狀態(tài)時(shí)，連續(xù)接收5個(gè)相同極性的位時(shí)，若第6位與之前5位的極性不同，則舍棄第6位，若第6位與之前5位的極性相同，則產(chǎn)生位填充錯(cuò)誤，控制器將停止接收數(shù)據(jù)，此時(shí)控制器也將由接收狀態(tài)轉(zhuǎn)換為錯(cuò)誤狀態(tài)。同時(shí)，本模塊也具有檢測(cè)位錯(cuò)誤，位填充錯(cuò)誤，形式錯(cuò)誤及應(yīng)答錯(cuò)誤的功能。另外，模塊還具有生成錯(cuò)誤幀、過(guò)載幀、間歇幀的功能。
1．2．4 狀態(tài)機(jī)模塊
    狀態(tài)機(jī)模塊在整個(gè)控制器中扮演著“大腦”的作用，它控制著其它模塊的操作。相比于文獻(xiàn)中未采用狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)，采用狀態(tài)機(jī)會(huì)使得各個(gè)模塊的功能作用更為明確，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為清晰合理，同時(shí)也更便于各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)控制。本狀態(tài)機(jī)模塊的設(shè)計(jì)采用和文獻(xiàn)中相同的設(shè)計(jì)，將控制器分為了10種模式：總線脫離、總線啟動(dòng)、總線空閑、模式選擇、發(fā)送模式、接收模式、錯(cuò)誤模式、間歇模式、超載模式及掛起模式。CAN狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

    掉電、復(fù)位及總線上過(guò)多的錯(cuò)誤都會(huì)使控制器進(jìn)入總線脫離模式；系統(tǒng)上電、復(fù)位解除或過(guò)多錯(cuò)誤而復(fù)位后的下個(gè)時(shí)鐘會(huì)使控制器進(jìn)入總線啟動(dòng)模式；在總線啟動(dòng)模式下，若之前因掉電、復(fù)位使控制器進(jìn)入總線脫離模式，當(dāng)控制器監(jiān)測(cè)到總線上1次連續(xù)11個(gè)隱性位(邏輯電平1”)時(shí)，控制器進(jìn)入總線空閑狀態(tài)，若因過(guò)多錯(cuò)誤使控制器進(jìn)入總線脫離模式，則當(dāng)控制器監(jiān)測(cè)到總線上128次連續(xù)11個(gè)隱性位時(shí)，控制器進(jìn)入總線空閑模式；當(dāng)控制器沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送但監(jiān)測(cè)到總線上有顯性位(邏輯電平“0”)時(shí)，控制器進(jìn)入接收模式，而當(dāng)控制器有數(shù)據(jù)發(fā)送同時(shí)監(jiān)測(cè)到總線上有顯性位時(shí)，控制器進(jìn)入模式選擇模式；模式選擇其實(shí)就是一個(gè)總線仲裁，此時(shí)標(biāo)識(shí)符將扮演仲裁位的角色，顯性位的優(yōu)先級(jí)更高，若總線仲裁失敗則控制器進(jìn)入接收模式，仲裁成功則進(jìn)入發(fā)送模式；一幀數(shù)據(jù)成功發(fā)送完成后，控制器會(huì)進(jìn)入間歇模式；若間歇幀發(fā)送成功，則控制器會(huì)再次進(jìn)入總線空閑模式。狀態(tài)機(jī)由空閑模式轉(zhuǎn)換為模式選擇模式的仿真圖如圖3所示。

1．2．5 位定時(shí)模塊
    位定時(shí)模塊控制著控制器報(bào)文發(fā)送或接收的節(jié)奏，這個(gè)節(jié)奏就是位時(shí)間，它由四部分組成：同步段、傳播段、相位緩沖段1和相位緩沖段2，這四個(gè)段均由時(shí)間份額構(gòu)成，時(shí)間份額是根據(jù)預(yù)先設(shè)置的分頻值對(duì)輸入時(shí)鐘進(jìn)行分頻得到的。
    位定時(shí)模塊還有一個(gè)重要的功能是將本節(jié)點(diǎn)與總線上的其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)鐘同步。由于每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)使用的是獨(dú)立的時(shí)鐘，所以不同節(jié)點(diǎn)之間會(huì)有相位差，這些相位差嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響報(bào)文發(fā)送和接收的準(zhǔn)確性，所以有必要對(duì)不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)鐘同步。

2 系統(tǒng)驗(yàn)證
    整個(gè)系統(tǒng)的功能仿真和時(shí)序仿真是借助Modelsim軟件完成的。圖4所示是對(duì)控制器發(fā)送數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，測(cè)試用的發(fā)送數(shù)據(jù)為隨意選擇的：00101001，仲裁場(chǎng)和控制場(chǎng)也是任選的，分別為：110100101110、110001，設(shè)置好寄存器組后，控制器計(jì)算出對(duì)應(yīng)的CRC碼為：110111001111 011，之后控制器將數(shù)據(jù)按CAN協(xié)議的幀格式打包逐位發(fā)送出去。

    控制器最初處于總線脫離模式，復(fù)位結(jié)束后進(jìn)入總線啟動(dòng)模式，當(dāng)控制器檢測(cè)到總線上的1次連續(xù)11個(gè)隱性位時(shí)，進(jìn)入總線空閑模式，接著當(dāng)控制器檢測(cè)到總線出現(xiàn)第一個(gè)顯性位時(shí)，進(jìn)入模式選擇模式，在此模式下，控制器進(jìn)行的操作就是總線仲裁，確定本節(jié)點(diǎn)是否獲得總線控制權(quán)，由于本測(cè)試采用的是控制器自測(cè)模式，即輸出線與輸入線連在一起，所以仲裁時(shí)間為12個(gè)位時(shí)間，仲裁成功后，控制器會(huì)進(jìn)入發(fā)送模式，若無(wú)錯(cuò)誤產(chǎn)生，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后控制器進(jìn)入間歇模式，最后進(jìn)入總線空閑模式。
    經(jīng)過(guò)一系列的測(cè)試驗(yàn)證后，表明本CAN總線控制器能夠發(fā)送或接收所有符合CAN2．0A協(xié)議的報(bào)文幀。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了所有符合CAN2．0A協(xié)議的CAN總線控制器功能，最高工作頻率為139．43MHz，這也達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目的。控制器的時(shí)序分析如圖5所示。

    本文作者創(chuàng)新點(diǎn)為：首先控制器的外圍接口采用Avalon總線接口，這使得本設(shè)計(jì)的通用性更強(qiáng)：其次是本設(shè)計(jì)的最高工作頻率達(dá)到了139．43MHz，能夠適應(yīng)高速通信的要求。