基于FPGA的飛行模擬器通信接口設(shè)計

摘要：在飛行模擬器的設(shè)計中，為了使數(shù)據(jù)能夠快速有效地在飛行模擬器的各個模塊之間進行高速傳遞，提出了一種使用FPGA作為CAN總線節(jié)點結(jié)構(gòu)中的核心處理器的設(shè)計方法，并完成了飛行模擬器通信接口的軟硬件設(shè)計。采用Verilog HDL進行編程，能夠完成對SJA1000總線控制器的有效讀寫。實際測試表明，相較于單片機作為處理器，本設(shè)計可擴展性好，易于修改和移植，能降低模擬器成本。

飛行模擬器是現(xiàn)代飛行員訓練的必需設(shè)備，它是一種由計算機實時控制、多系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作、能模擬真實飛行環(huán)境的模擬設(shè)備。相較于利用飛機的飛行訓練而言，利用飛行模擬器的模擬飛行訓練不僅不受天氣等自然條件的制約，而且沒有后勤、機務(wù)保障以及飛行安全等因素的限制。國內(nèi)外許多單位均研制了各種不同種類和規(guī)模的訓練模擬器，并取得良好的訓練效果，保證了飛行任務(wù)的圓滿完成。

在飛行模擬器的設(shè)計中，要求大量的信息能夠快速有效地在飛行模擬器的各個模塊之間進行高速傳遞，這就需要一定的通信接口協(xié)議來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。目前，飛行模擬器通常采用CAN總線作為通信協(xié)議，并采用單片機作為微處理器，可擴展性差。文章根據(jù)飛行模擬器的結(jié)構(gòu)特點，分析了現(xiàn)場總線技術(shù)和FPGA技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)飛行模擬器的實際需要和總線自身特點，選用了CAN總線來作為主機和現(xiàn)場設(shè)備的通信方式，并使用FPGA作為CAN總線節(jié)點結(jié)構(gòu)中的核心處理器，對飛行模擬器通信接口進行了設(shè)計。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

CAN(Controller Area Network)總線是一種串行通信總線，是國際上應(yīng)用最廣泛的開放式現(xiàn)場總線之一。CAN最早被設(shè)計作為汽車環(huán)境中微控制器的通訊，但由于其靈活性好、可靠性高、功能完善，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各個自動控制領(lǐng)域，CAN總線具有根據(jù)優(yōu)先級的多主結(jié)構(gòu)、可靠的錯誤檢測和處理機制、傳輸速率高(最高可達1 Mb/s)、傳輸距離遠(波特率低于5 kb/s時最遠可達10 km)，克服了RS-485網(wǎng)絡(luò)的低總線利用率、單主從結(jié)構(gòu)、無硬件錯誤檢測的不足。在飛行模擬器的設(shè)計過程中，主控機需要與多個模塊進行交互，選用CAN總線接口是非常適合的。

飛行模擬器通信接口的硬件設(shè)計，以CAN總線作為通信協(xié)議，選用ALTERA公司CYCLONE系列EP1C6Q240C8作為CAN節(jié)點的核心處理器，采用Philips公司的SJA1000T作為CAN總線控制器，在CAN總線控制器與CAN物理總線之間選用PCA82C250作為CAN收發(fā)器，為了增強抗干擾能力，

保護CAN總線控制器，在SJA1000T與PCA82C250之間使用6N137進行光電隔離，其速度為10 MHz。在Quartus II軟件中運用Verilog對FPGA編程，實現(xiàn)對SJA1000T的控制及CAN節(jié)點之間的通信功能。接口電路設(shè)計如圖1所示。

SJA1000芯片是一款獨立的CAN總線控制器，相對于它的前一款PCA82C200，SJA1000是在原有的BasicCAN模式的基礎(chǔ)上增加了PeliCAN模式，這種模式能夠支持CAN2.0B協(xié)議。為了提高SJA1000的總線驅(qū)動能力，在SJA1000與CAN總線之間加入了PCA82C250總線收發(fā)器，其主要功能是增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低射頻干擾，實現(xiàn)熱防護等。

系統(tǒng)設(shè)計中選用FPGA作為CAN總線節(jié)點的核心處理器，能夠在速度和體積上有更好的適應(yīng)性，可以增強飛行模擬器通信接口設(shè)計的靈活性和可擴展性，因為在飛行模擬器設(shè)計中，有時還需要用到其他通信接口，比如括RS232和RS422。EP1C6Q240是ALTERA公司推出的一款高性價比的FPGA，工作電壓為3.3 V，內(nèi)核電壓1.5 V，采用0.13μm工藝技術(shù)，其內(nèi)部具有5 980個LEs，含有20個MK4 RAM塊(128×36 bits)，總的RAM空間共計92 160比特，內(nèi)嵌2個鎖相環(huán)電路，最大用戶I/O為185個，配置芯片選用EPCS1，對于FPGA的下載方式，通?？梢圆捎肑TAG方式和AS方式，不同下載方式，其硬件連接方式不用。JTAG方式，下載程序到FPGA芯片內(nèi)RAM中，F(xiàn)PGA芯片內(nèi)的程序掉電后無法保存，JTAG下載方式適合調(diào)試程序時使用，而AS方式則能將程序下載到配置芯片內(nèi)，配置芯片內(nèi)的程序掉電后也可以保存，再次上電后自動裝載到FPGA內(nèi)并由FPGA開始運行。

在CAN總線接口硬件設(shè)計中，主要是CAN總線控制器與FPGA以及CAN總線控制器與CAN總線收發(fā)器之間的接口電路設(shè)計。在設(shè)計時，相比于采用單片機作為微處理器的設(shè)計，F(xiàn)PGA具有豐富的I/O端口，為了使FPGA的3.3V I/O接口電平與SJA1000的5 V TTL電平標準相匹配，在FPGA與SJA1000連接時需要使用74ALVC164245電平轉(zhuǎn)換器，這樣CAN總線控制器SJA1000的AD0～AD7、片選信號CS、RD、WR、ALE、INT、MODE分別經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換器再與FPGA的I/O相連。為了增強抗干擾能力，總線控制器SJA1000的發(fā)送輸出端TX0與接收輸入端RX0分別經(jīng)集成光電耦合器6N137，與總線收發(fā)器PCA82C250的TXD和RXD相連，PCA82C250的CANH、CANL端口直接與CAN物理總線相連。PCA82C250是CAN總線控制器和物理總線之間的接口，具有可向總線差動發(fā)送數(shù)據(jù)和從CAN總線控制器差動接收數(shù)據(jù)的功能。另外，SJA1000的RX1引腳與PCA82C250的VREF引腳相連，使用輸入比較器旁路功能，可減少內(nèi)部延時，增加正常通信的總線長度。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

CAN總線節(jié)點的軟件的設(shè)計主要是對FPGA進行編程，一方面對飛行模擬器各類接口數(shù)據(jù)的采集和輸出，另一方面是對SJA1000的接口邏輯程序，來控制CAN總線的工作方式和工作狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。這里主要介紹FPGA對總線控制器的程序設(shè)計，主要包括對SJA1000的初始化邏輯、數(shù)據(jù)發(fā)送邏輯和數(shù)據(jù)接收邏輯。由于SJA1000地址總線與數(shù)據(jù)總線復用，這就需要FPGA不僅要產(chǎn)生SJA1000讀寫控制引腳的信號邏輯，還需要產(chǎn)生對SJA1000的尋址信號，實際上是一個向SJA1000寫地址的過程。因此設(shè)計的關(guān)鍵就是把SJA1000中的寄存器地址當成數(shù)據(jù)寫入到SJA1000中，同時配合地址鎖存信號ALE和寫允許信號WR完成對SJA1000特定寄存器的命令字寫入。

2.1 SJA1000初始化邏輯

初始化邏輯的主要功能是在系統(tǒng)上電或重啟后，對SJA1000進行初始化，以確定工作主頻、波特率、輸出特性等。SJA1000支持兩種模式，即BasicCAN模式和PeliCAN模式，BasicCAN模式是上電后默認的操作模式。SJA1000的初始化邏輯主要包括工作方式的設(shè)置、驗收濾波方式的設(shè)置、驗收屏蔽寄存器(AMR)和驗收代碼寄存器(ACH)的設(shè)置、中斷允許寄存器(IER)的設(shè)置、總線定時寄存器(BTR0、BTR1)、輸出控制寄存器(OCR)和時鐘分頻器(CDR)的設(shè)置等。在完成SJA1000的初始化設(shè)置以后，SJA1000就可以回到工作狀態(tài)，進行正常的通信任務(wù)。

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送邏輯

數(shù)據(jù)發(fā)送邏輯需要FPGA通過模擬總線的方法對SJA1000進行控制，SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)的寄存器共有11個字節(jié)，其中前3個字節(jié)分別是幀信息字節(jié)和兩個標識碼，后8個字節(jié)是數(shù)據(jù)。發(fā)送時，用戶需要將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定的格式組合成一幀報文，送入SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)中，然后啟動SJA1000發(fā)送即可。需要注意的是，在向SJA1000發(fā)送緩存區(qū)送報文之前，必須先判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否鎖定，如果鎖定則等待;判斷上次發(fā)送是否完成，如未完成則需等待發(fā)送完成。總線控制器寫周期的時序圖如圖2所示。

2.3 數(shù)據(jù)接收邏輯

與數(shù)據(jù)發(fā)送邏輯類似，從接收緩沖區(qū)中讀取一條報文也需要連續(xù)讀取11個字節(jié)，數(shù)據(jù)接收邏輯除了正常的報文數(shù)據(jù)接收，還要實現(xiàn)其他情況的處理。對接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀取完畢后要釋放CAN接收緩沖區(qū)。圖3所示為總線控制器讀周期的時序圖。

在FPGA程序編寫時，采用狀態(tài)機完成邏輯的設(shè)計，分別包括初始化狀態(tài)、空閑狀態(tài)、查詢狀態(tài)、數(shù)據(jù)接收狀態(tài)、數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。

3 結(jié)論

在系統(tǒng)設(shè)計過程中，采用ALTERA公司的EP1C6型FPGA進行設(shè)計，在Quartus II環(huán)境中利用Verilog HDL編程產(chǎn)生SJA1000的片選信號、地址鎖存信號以及讀寫信號等，這些信號共同驅(qū)動SJA1000完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。在采用FPGA實現(xiàn)對SJA1000的邏輯控制過程中，采用Quartus II中的SignalTap II Logic Analyzer工具對FPGA各接口信號進行了測量，經(jīng)檢查各種邏輯均符合SJA1000的接口時序要求。

基于FPGA的飛行模擬器通信接口設(shè)計主要由Verilog語言進行描述，易于修改和移植，同時由于FPGA的I/O豐富，還可以將模擬器中一些常用的開關(guān)量連接到FPGA上，這樣就可以將多種功能集成在一個FPGA上，相較于采用單片機控制SJA1000實現(xiàn)CAN總線通信，本設(shè)計方案可擴展性好，穩(wěn)定性高，能降低成本、系統(tǒng)體積及功耗，在飛行模擬器領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。