[導讀]本文設計的CAN總線通信板完成了PC／104與CAN總線的通信轉換，改變了傳統(tǒng)的應用CAN控制器加外部控制器的設計方法，在設計CAN核的基礎上，將通信板中所有數(shù)字信號處理部分都放在FPGA內部來實現(xiàn)，使通信速度得到很大提高。無論是在傳輸速率還是在抗干擾、抗震性等方面，CAN核應用的綜合性能都得到了很大的提高。
隨著電子技術、計算機應用技術和EDA技術的不斷發(fā)展，利用FPGA進行數(shù)字系統(tǒng)的開發(fā)已被廣泛應用于通信、航天、醫(yī)療電子、工業(yè)控制等領域，F(xiàn)PGA成為當今硬件設計的首選方式之一。PC／104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，以其獨特的堆棧式結構、低功率等優(yōu)點，得到了廣泛的應用。作為主流的現(xiàn)場總線，工業(yè)控制局域網CAN(Controller Area Network)總線抗干擾能力強，易于組網，具有非常廣闊的應用前景。獨特的PC／104總線與CAN總線的結合，進一步拓寬了CAN總線的應用領域。
1基于FPGA的CAN核設計
本設計采用了Altera公司的Cyclone III系列FPGA EP3C25，開發(fā)平臺采用了Altera公司的Quartus II軟件。CAN核的設計以SJA1000功能結構為基礎。
CAN核的功能框圖如圖1所示。該CAN總線控制器IP核，遵循CANbus 2.0標準，其功能和寄存器操作與SJA1000兼容。IP核采用VHDL編碼，并采用容錯設計，可抑制存儲性器件的數(shù)據位翻轉，大大提高了IP核的可靠性。CAN核可在FPGA中實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)為ASIC。其中包含3個主要模塊：寄存器組(can_registers)，位時序邏輯(can_btl)，位流處理器(can_bsp)。
寄存器組(CAN Register)：外部微處理器可以通過地址直接訪問這些寄存器。發(fā)送數(shù)據時，微處理器將要發(fā)送的數(shù)據寫入發(fā)送緩沖器，置位命令寄存器的發(fā)送請求位來啟動發(fā)送。接收到數(shù)據后，核心控制器將其存在接收緩沖器，并通知位控制器將其取走。同時，CAN寄存器中還有1個64字節(jié)的接收FIFO，可以1次存儲至少2個數(shù)據幀。
位時序邏輯(BTL)：用來監(jiān)視CAN總線并處理與CAN總線相關的位時序。在消息的開始處，當位時序邏輯檢測到總線上由隱性位(recessive)到顯性位(dominant)的跳變時，就會將其內部邏輯同步到位流，稱之為硬同步；隨后，在接收消息的過程中，檢測到隱性位到顯性位的跳變時，便會重同步到位流，稱之為軟同步。位時序邏輯還要根據總線定時寄存器0和總線定時寄存器1的值來決定每個位周期采樣點的位置，以補償傳輸延遲和相位漂移所造成的誤差；同時，根據總線定時寄存器1的設置采取相應的采樣模式(單次采樣或3次)對總線上的數(shù)據采樣。
位流處理器(BSP)：根據其實現(xiàn)的功能分為3個模塊：數(shù)據接收模塊、數(shù)據發(fā)送模塊和錯誤處理模塊。數(shù)據接收模塊將從位時序邏輯送過來的采樣數(shù)據去除位填充后送到移位寄存器進行串并轉換，之后對并行數(shù)據進行CRC校驗，在消息接收完時發(fā)送應答信號，表示接收無誤。最后將接收到的消息的特征碼與驗收屏蔽寄存器的內容進行比較，以決定是否將接收的消息寫入接收FIFO。數(shù)據接收模塊將要發(fā)送的數(shù)據組成幀并進行CRC計算，之后送入移位寄存器進行并串轉換，然后將串行數(shù)據編碼(位填充)后送到總線上。錯誤監(jiān)視模塊根據協(xié)議規(guī)范中描述的錯誤監(jiān)視機制檢測系統(tǒng)錯誤，并設置相應的寄存器，通知設備控制器。模塊根據協(xié)議描述的12種錯誤監(jiān)視規(guī)則，在適當情況下對計數(shù)器進行加、減或清除?？刂破鞲鶕@兩個計數(shù)器的值以及錯誤限制寄存器的值來決定自己的故障狀態(tài)：錯誤激活(Error Active)，錯誤認可(Error Passire)或總線關閉(Bus off On)。
2硬件電路設計
根據系統(tǒng)的總體設計方案，因為現(xiàn)有的CAN總線收發(fā)器最大的工作頻率為1 MHz，在提高CAN的通信速度后，現(xiàn)有的CAN總線收發(fā)器就不能滿足需要了，因此改用RS485收發(fā)器。由于RS485收發(fā)器是差分傳輸，不能完成通信卡的自發(fā)自收功能，因此需要外置的CAN Hub。另外，要進行光纖傳輸，要完成光的邏輯總線結構，也需要外置Hub。因此，本硬件設計分為CAN通信板的設計和CAN Hub的設計兩部分。
(1)CAN通信板硬件電路設計
CAN通信板的核心器件是FPGA，同時完成“雙光雙電”通信，硬件通信板結構如圖2所示。
作為PC／104系統(tǒng)的模塊，要接在PC／104總線上，所以要在數(shù)據、地址、控制總線上與PC／104標準規(guī)定的總線標準一致。
本設計要進行四冗余設計，在設計中要添加4個CAN核，選用Altera公司Cyclone II系列的FPGA EP3C25。
由于PC／104的工作電壓為5 V，而FPGA的工作電壓為3.3 V，因此在PC／104和FPGA之間要加入1個電平轉換器74LVC245來保護FPGA。
(2)光收發(fā)電路
本系統(tǒng)的高速光發(fā)射器采用HFBR-1414低功耗高速光發(fā)射器件，其光發(fā)射波長為820 nm。此發(fā)射器能夠與以下4種光纖配合使用：50／125 μm、62.5／125 μm、100／140 μm、200 μm(HCS)。HFBR-1414采用了雙鏡片的光學系統(tǒng)，光發(fā)射效率高，當驅動電流為60 mA時，在50／125 μm光纖上可得到-15 dBm的光功率。光接收器采用HFBR-2412，其內部集成了光電二極管、直流電路和開集電極的肖特基晶體管。HFBR-2412光接收器能與光發(fā)射器HFBR-1414及50／125 μm、62.5／125 μm、100／140 μm、200 μm(HCS)的光纖配合使用，最高通信速率可達5 MB。由于采用了開集電極電路，此接收器兼容TTL及CMOS電平。該電路的通信距離最遠可達1.7 km。
為提高CAN通信板的抗震性，抗干擾性等綜合性能，采用了雙面布線設計。該通信板尺寸規(guī)格嚴格按照PC／104板的要求做。
(3)冗余設計及CAN Hub設計
該通信板設計了4路冗余，工作時只有1路CAN通道進行工作，采用高位片選的方式進行工作通道的選擇，其片選模塊在FPGA內部設計完成。
(4)GAN Hub的設計
由于本系統(tǒng)采用“雙光雙電”四冗余的電路設計，為提高通信速度，采用485收發(fā)器代替標準的CAN收發(fā)器。光是“點對點”的傳輸，485收發(fā)器是差分傳輸，在形式上都無法構成總線式結構。因此，引入CAN Hub來對信號進行處理，在邏輯上達到總線式的結構。
3軟件設計
CAN通信板的正常工作離不開強大的軟件支持，本系統(tǒng)中控制部分的核心采用PC／104嵌入式計算機系統(tǒng)。PC／104嵌入式計算機擁有可以和PC機媲美的強大功能，CAN通信板軟件部分的開發(fā)和設計就是在PC／104計算機上完成的，采用C語言進行設計。C語言具有通用性、高效性和實時性，能滿足儀器的實時性要求。在設計過程中采用了模塊化、結構化的設計方法，把軟件按功能分成若干個模塊，這些模塊既有一定的獨立性，又有一定聯(lián)系。每個模塊的編制要求相對獨立，以便對各模塊進行檢驗調試和修改、維護。這種框架模式的程序可以保證良好的通用性、可維護性、可擴展性、移植性、互換性和獨立性。
由于CAN核的內部結構和SJA1000一樣，因此，開發(fā)時就像面對SJA1000一樣，編寫起來簡單方便。本設計采用中斷處理的方式來進行任務的處理。在中斷到來后進行相應的處理就可以了。
通信板初始化流程如圖3所示。
數(shù)據發(fā)送流程如圖4所示，數(shù)據接收流程如圖5所示。
4系統(tǒng)的仿真
采用Modelsim進行仿真。
系統(tǒng)的測試平臺(TestBench)，例化了模塊can4core和1個CAN核cantop，并仿真它們之間的通信。
本仿真完全按照CAN核正常工作過程進行，仿真過程如下：
①初始化設置。首先進行時間寄存器的設置和數(shù)據格式的設置。通過平臺對本系統(tǒng)設計模塊和CAN核進行設置。
②同步測試。包括硬同步測試和重新同步測試。一個硬同步后，內部的位時間以同步段重新開始。硬同步使引起硬同步的跳變沿位于重新開始的位時間同步段之內。
③空FIFO測試(test_empty_fifo_ext)。該測試通過接收2個數(shù)據幀，然后讀取接收緩沖器，接著清空緩沖器，再讀取緩沖器，反復清空和讀取，看FIFO中的數(shù)據是否被完全清除。
④滿FIFO測試(test_full_fifo_ext)。首先清空寄存器，然后通過不斷地接收數(shù)據幀來填滿FIFO并讀取信息，檢測是否能正常工作。
⑤總線空閑測試(bus-off-test)。通過不斷發(fā)送數(shù)據來使總線處于忙狀態(tài)，致使總線產生錯誤，測試中斷寄存器是否能檢測到錯誤，以及錯誤清除后CAN核能否繼續(xù)正常工作。
⑥Basic CAN模式發(fā)送幀檢測。測試CAN核能否正常發(fā)送幀。
⑦寄存器測試。通過不停地讀寫寄存器，檢測CAN核寄存器是否正常工作。
⑧總線上數(shù)據的傳輸。仿真過程中重要的一點就是總線上是否能夠正常傳輸數(shù)據信息。
經過仿真可以看到該CAN通信板突破了SJA1000在速度方面的限制，傳輸速度可達2 MHz，有效傳輸速率得到了大幅提高，工作性能良好。
結語
本文設計的CAN總線通信板完成了PC／104與CAN總線的通信轉換，改變了傳統(tǒng)的應用CAN控制器加外部控制器的設計方法，在設計CAN核的基礎上，將通信板中所有數(shù)字信號處理部分都放在FPGA內部來實現(xiàn)，使通信速度得到很大提高。無論是在傳輸速率還是在抗干擾、抗震性等方面，CAN核應用的綜合性能都得到了很大的提高。
1基于FPGA的CAN核設計
本設計采用了Altera公司的Cyclone III系列FPGA EP3C25，開發(fā)平臺采用了Altera公司的Quartus II軟件。CAN核的設計以SJA1000功能結構為基礎。
CAN核的功能框圖如圖1所示。該CAN總線控制器IP核，遵循CANbus 2.0標準，其功能和寄存器操作與SJA1000兼容。IP核采用VHDL編碼，并采用容錯設計，可抑制存儲性器件的數(shù)據位翻轉，大大提高了IP核的可靠性。CAN核可在FPGA中實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)為ASIC。其中包含3個主要模塊：寄存器組(can_registers)，位時序邏輯(can_btl)，位流處理器(can_bsp)。
寄存器組(CAN Register)：外部微處理器可以通過地址直接訪問這些寄存器。發(fā)送數(shù)據時，微處理器將要發(fā)送的數(shù)據寫入發(fā)送緩沖器，置位命令寄存器的發(fā)送請求位來啟動發(fā)送。接收到數(shù)據后，核心控制器將其存在接收緩沖器，并通知位控制器將其取走。同時，CAN寄存器中還有1個64字節(jié)的接收FIFO，可以1次存儲至少2個數(shù)據幀。
位時序邏輯(BTL)：用來監(jiān)視CAN總線并處理與CAN總線相關的位時序。在消息的開始處，當位時序邏輯檢測到總線上由隱性位(recessive)到顯性位(dominant)的跳變時，就會將其內部邏輯同步到位流，稱之為硬同步；隨后，在接收消息的過程中，檢測到隱性位到顯性位的跳變時，便會重同步到位流，稱之為軟同步。位時序邏輯還要根據總線定時寄存器0和總線定時寄存器1的值來決定每個位周期采樣點的位置，以補償傳輸延遲和相位漂移所造成的誤差；同時，根據總線定時寄存器1的設置采取相應的采樣模式(單次采樣或3次)對總線上的數(shù)據采樣。
位流處理器(BSP)：根據其實現(xiàn)的功能分為3個模塊：數(shù)據接收模塊、數(shù)據發(fā)送模塊和錯誤處理模塊。數(shù)據接收模塊將從位時序邏輯送過來的采樣數(shù)據去除位填充后送到移位寄存器進行串并轉換，之后對并行數(shù)據進行CRC校驗，在消息接收完時發(fā)送應答信號，表示接收無誤。最后將接收到的消息的特征碼與驗收屏蔽寄存器的內容進行比較，以決定是否將接收的消息寫入接收FIFO。數(shù)據接收模塊將要發(fā)送的數(shù)據組成幀并進行CRC計算，之后送入移位寄存器進行并串轉換，然后將串行數(shù)據編碼(位填充)后送到總線上。錯誤監(jiān)視模塊根據協(xié)議規(guī)范中描述的錯誤監(jiān)視機制檢測系統(tǒng)錯誤，并設置相應的寄存器，通知設備控制器。模塊根據協(xié)議描述的12種錯誤監(jiān)視規(guī)則，在適當情況下對計數(shù)器進行加、減或清除?？刂破鞲鶕@兩個計數(shù)器的值以及錯誤限制寄存器的值來決定自己的故障狀態(tài)：錯誤激活(Error Active)，錯誤認可(Error Passire)或總線關閉(Bus off On)。
2硬件電路設計
根據系統(tǒng)的總體設計方案，因為現(xiàn)有的CAN總線收發(fā)器最大的工作頻率為1 MHz，在提高CAN的通信速度后，現(xiàn)有的CAN總線收發(fā)器就不能滿足需要了，因此改用RS485收發(fā)器。由于RS485收發(fā)器是差分傳輸，不能完成通信卡的自發(fā)自收功能，因此需要外置的CAN Hub。另外，要進行光纖傳輸，要完成光的邏輯總線結構，也需要外置Hub。因此，本硬件設計分為CAN通信板的設計和CAN Hub的設計兩部分。
(1)CAN通信板硬件電路設計
CAN通信板的核心器件是FPGA，同時完成“雙光雙電”通信，硬件通信板結構如圖2所示。
作為PC／104系統(tǒng)的模塊，要接在PC／104總線上，所以要在數(shù)據、地址、控制總線上與PC／104標準規(guī)定的總線標準一致。
本設計要進行四冗余設計，在設計中要添加4個CAN核，選用Altera公司Cyclone II系列的FPGA EP3C25。
由于PC／104的工作電壓為5 V，而FPGA的工作電壓為3.3 V，因此在PC／104和FPGA之間要加入1個電平轉換器74LVC245來保護FPGA。
(2)光收發(fā)電路
本系統(tǒng)的高速光發(fā)射器采用HFBR-1414低功耗高速光發(fā)射器件，其光發(fā)射波長為820 nm。此發(fā)射器能夠與以下4種光纖配合使用：50／125 μm、62.5／125 μm、100／140 μm、200 μm(HCS)。HFBR-1414采用了雙鏡片的光學系統(tǒng)，光發(fā)射效率高，當驅動電流為60 mA時，在50／125 μm光纖上可得到-15 dBm的光功率。光接收器采用HFBR-2412，其內部集成了光電二極管、直流電路和開集電極的肖特基晶體管。HFBR-2412光接收器能與光發(fā)射器HFBR-1414及50／125 μm、62.5／125 μm、100／140 μm、200 μm(HCS)的光纖配合使用，最高通信速率可達5 MB。由于采用了開集電極電路，此接收器兼容TTL及CMOS電平。該電路的通信距離最遠可達1.7 km。
為提高CAN通信板的抗震性，抗干擾性等綜合性能，采用了雙面布線設計。該通信板尺寸規(guī)格嚴格按照PC／104板的要求做。
(3)冗余設計及CAN Hub設計
該通信板設計了4路冗余，工作時只有1路CAN通道進行工作，采用高位片選的方式進行工作通道的選擇，其片選模塊在FPGA內部設計完成。
(4)GAN Hub的設計
由于本系統(tǒng)采用“雙光雙電”四冗余的電路設計，為提高通信速度，采用485收發(fā)器代替標準的CAN收發(fā)器。光是“點對點”的傳輸，485收發(fā)器是差分傳輸，在形式上都無法構成總線式結構。因此，引入CAN Hub來對信號進行處理，在邏輯上達到總線式的結構。
3軟件設計
CAN通信板的正常工作離不開強大的軟件支持，本系統(tǒng)中控制部分的核心采用PC／104嵌入式計算機系統(tǒng)。PC／104嵌入式計算機擁有可以和PC機媲美的強大功能，CAN通信板軟件部分的開發(fā)和設計就是在PC／104計算機上完成的，采用C語言進行設計。C語言具有通用性、高效性和實時性，能滿足儀器的實時性要求。在設計過程中采用了模塊化、結構化的設計方法，把軟件按功能分成若干個模塊，這些模塊既有一定的獨立性，又有一定聯(lián)系。每個模塊的編制要求相對獨立，以便對各模塊進行檢驗調試和修改、維護。這種框架模式的程序可以保證良好的通用性、可維護性、可擴展性、移植性、互換性和獨立性。
由于CAN核的內部結構和SJA1000一樣，因此，開發(fā)時就像面對SJA1000一樣，編寫起來簡單方便。本設計采用中斷處理的方式來進行任務的處理。在中斷到來后進行相應的處理就可以了。
通信板初始化流程如圖3所示。
數(shù)據發(fā)送流程如圖4所示，數(shù)據接收流程如圖5所示。
4系統(tǒng)的仿真
采用Modelsim進行仿真。
系統(tǒng)的測試平臺(TestBench)，例化了模塊can4core和1個CAN核cantop，并仿真它們之間的通信。
本仿真完全按照CAN核正常工作過程進行，仿真過程如下：
①初始化設置。首先進行時間寄存器的設置和數(shù)據格式的設置。通過平臺對本系統(tǒng)設計模塊和CAN核進行設置。
②同步測試。包括硬同步測試和重新同步測試。一個硬同步后，內部的位時間以同步段重新開始。硬同步使引起硬同步的跳變沿位于重新開始的位時間同步段之內。
③空FIFO測試(test_empty_fifo_ext)。該測試通過接收2個數(shù)據幀，然后讀取接收緩沖器，接著清空緩沖器，再讀取緩沖器，反復清空和讀取，看FIFO中的數(shù)據是否被完全清除。
④滿FIFO測試(test_full_fifo_ext)。首先清空寄存器，然后通過不斷地接收數(shù)據幀來填滿FIFO并讀取信息，檢測是否能正常工作。
⑤總線空閑測試(bus-off-test)。通過不斷發(fā)送數(shù)據來使總線處于忙狀態(tài)，致使總線產生錯誤，測試中斷寄存器是否能檢測到錯誤，以及錯誤清除后CAN核能否繼續(xù)正常工作。
⑥Basic CAN模式發(fā)送幀檢測。測試CAN核能否正常發(fā)送幀。
⑦寄存器測試。通過不停地讀寫寄存器，檢測CAN核寄存器是否正常工作。
⑧總線上數(shù)據的傳輸。仿真過程中重要的一點就是總線上是否能夠正常傳輸數(shù)據信息。
經過仿真可以看到該CAN通信板突破了SJA1000在速度方面的限制，傳輸速度可達2 MHz，有效傳輸速率得到了大幅提高，工作性能良好。
結語
本文設計的CAN總線通信板完成了PC／104與CAN總線的通信轉換，改變了傳統(tǒng)的應用CAN控制器加外部控制器的設計方法，在設計CAN核的基礎上，將通信板中所有數(shù)字信號處理部分都放在FPGA內部來實現(xiàn)，使通信速度得到很大提高。無論是在傳輸速率還是在抗干擾、抗震性等方面，CAN核應用的綜合性能都得到了很大的提高。
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