基于FPGA的CAN总线通信接口的设计

CAN总线是现场总线的一种，因为其成本低、容错能力强、支持分布式控制、通信速率高等优点在汽车、工业控制、航天等领域得到广泛应用。但是计算机没有CAN总线接口，为了进行CAN总线的调试，必须具有专用的适配卡才能实现与计算机的通信。目前常用的CAN转换器是基于单片机设计的，一般只适用于单路CAN总线的数据转换，可扩展性差。
    在小卫星相机下位机系统中使用了多种总线，如CAN总线与卫星管理计算机的通信；RS422(或RS485)总线与成像单元等下行单元的通信。在进行相机下位机系统地面调试时，可能需要多种总线转换器。采用FPGA将不同总线协议转换成USB2．0、RS232等可与计算机直接交换数据的协议，可增强设计的灵活性，降低设计的成本和复杂性，且可实现多路总线的数据通信接口。
    这里以CAN总线通信接口为例，详细论述了基于FPGA的CAN总线转换USB接口的设计方案。

1 系统硬件组成
    实现CAN总线与计算机双向通信接口的核心是FPGA。它首先接收来自CAN总线的数据，保存在FPGA内部设计的FIF0缓存中，经过内部数据格式的转换后，由USB控制器读取并上传给计算机。而总线数据注入过程的数据流向与之相反。FPCA选用Xilinx公司的Spartan3的XC3S200，系统硬件结构如图l所示。

1．1 USB接口电路
    USB是一种支持即插即用及热插拔的串行总线，它具有传输速率高、连接灵活、使用方便等优点。CYPRESS公司的EZ-USB芯片CY7C68013A支持USB2．0协议，通信可靠，传输速率可达480 Mb／s。CY7C68013A工作在SLAVE FIF0异步通信方式下，接口电路如图2所示。

    SLAVE FIFO异步写周期中，高电平需维持70ns，低电平需维持50ns，理论最高传输速率为8Mb／s，而CAN总线的最高传输速率为1Mb／s，符合通信要求。端口PA0～PA1用作USB控制器端向FPGA发送读写命令的控制线，由USB固件程序配合上位机端自定义请求代码产生PA端口的控制信号。另外使用了EEPROM芯片24LC128存放USB固件程序。
1．2 CAN总线接口电路
    选用Philips公司的SJA1000作为CAN控制器，采用PCA82C250作为CAN收发器，并在CAN控制器与收发器之间使用6N137进行光电隔离，以增强抗干扰能力。将MODE引脚接高电平即SJA1000工作在INTEL模式，引脚与复位芯片MAX706T的RESET引脚相连，进行全局复位。在FPGA与SJA1000连接时需要使用741V164245电平转换器完成CAN总线5 V TTL电平向3．3 V FPGA I／O电平的转换。另外，SJA1000的RX1引脚与PCA-82C 250的VREF引脚相连，使用输入比较器旁路功能，可减少内部延时，增加正常通信的总线长度。具体的接口电路如图3所示。

2 FPGA逻辑控制程序
2．1 SJA1000逻辑控制
    由于SJA1000地址线与数据总线复用，FPGA不仅仅要产生SJA1000读写控制引脚的信号逻辑，还需要模拟单片机等处理器产生对SJA1000的寻址信号，实际上是一个向SJA1000写地址的过程。根据SJA1000技术手册的时序要求，要完成对SJA1000内寄存器的正确读写，接口逻辑必须在地址锁存信号ALE为高电平时将SJA1000的寄存器地址当作数据写入，然后在ALE和片选信号为低电平后使能SJA1000的读写控制信号(WR或RD)。SJA1000的逻辑控制采用状态机的方式完成，状态机流程图如图4所示。起始态为IDLE态，当接收到数据读写等命令时，进入ADDR-ESS态，向SJA1000写入相应寄存器的地址值。然后根据命令类型决定下一个态是写寄存器状态(WR1～WR3)还是读寄存器状态(RD1～RD4)。以写寄存器为例，在WR1态ALE、、等信号置为非有效态。将置为有效状态；在WR2态ALE、为非有效态．而将信号置为有效态，在时钟的下降沿将数据写入寄存器。WR3状态保持有效，WR信号变为无效，进入IDLE态，一次写周期完成。

2．2 SJA1000读写数据流程控制
    FPGA对SJA1000控制程序包括SJA1000初始化、SJA1000读数据、SJA1000写数据等部分。SJA1000的初始化是在复位模式下进行的，在复位模式下分别设置时钟分频器CDR、总线定时器(BTR0、BTR1)、输出控制寄存器(OCR)等重要寄存器。SJA1000通信波特率由总线定时器决定，需要与后端节点的波特率相同才能进行节点间的正常通信。FPGA上电后需要延时一段时间．等待SJA1000复位完成才能进行SJA1000初始化。初始化仿真波形如图5(a)所示。SJA1000内部有一个接收缓冲器和一个发送缓冲器。FPGA对SJA1000的读写操作，实际上对这两个缓冲器的读写控制。当FPGA接收CAN总线数据时首先读取SJA1000中断寄存器IR判断是否有接收中断。如果有接收中断到来则开始读取缓冲器内的8字节数据，然后释放接收缓冲器(写命令寄存器CMR)。使用Xilinx公司的Chipseope软件进行板上测试，测试数据为(E0，E1，……E7)，抓取到的波形如图5(b)所示。FPGA读写SJA1000的流程控制图如图6所示。

2．3 CY7C68013A通信控制程序
    CY7C68013A提供一种量子FIFO的处理架构，使USB接口和应用环境直接共享内部含有的4 K FIF0空间。本文CY7C68013A的控制是以异步SLAVE FIFO方式实现的，FPGA对CY7C68013A的逻辑控制实际上是对CY7C68013A内部FIFO的异步读写控制。设置CY7C68013A端点2为批量输入端点(FIF0地址为00)，端点6为批量输出端点(FIF0地址为1O)。FPGA判断CY7C68013A的PA[1：0]端口电平，当PA[1：0]为01时，FPGA将接收到的CAN总线数据写入端点2对应的FIF0空间并上传给上位机，PA[1：0]为10时，FPGA读取端点6对应的FIFO内数据。FPGA对CY7C68013A的时序控制严格按照芯片手册完成。
    由于USB数据包与CAN数据帧是基于两种不同协议的数据格式，因此在FPGA内开辟了2个512x8bit的FIFO缓存，并要进行必要的格式转换。例如，当从USB总线端注入的数据大于8字节时，需要将数据分成多帧传送给CAN总线；当数据小于8字节时则在数据后填充0。另外，在数据传送给CAN总线之前还需要添加适当的帧信息与帧识别码。

3 软件设计
3．1 USB固件程序
    USB固件程序是在Keil工具上开发完成的，除了进行必要的端点及寄存器配置外，程序中使用了自定义请求命令。自定义请求码通过USB控制传输的方式传送给固件，固件程序需要响应自定义请求码的请求信息。本文使用的自定义请求码为Oxa8，在响应代码中设置端口PA[1：0]电平值，产生USB控制命令，代码如下所示。SETUPDAT[2]对应控制传输端点的Value值，由上位机应用程序设定。
   
3．2 USB驱动程序及应用程序
    使用CYPRESS公司提供的CY7C68013A通用驱动程序CyUSB．sys。上位机应用程序使用VC编写，也是基于Cypress提供的C++类库文件CyAP-I.lib设计完成的。使用的主要函数包括：BeginDataXfer、FinishDataXfer、XferData等函数。应用程序中设计了独立的数据接收线程，线程函数中不断地发送USB数据读命令，并完成批量输人端点的读操作。当有数据读入时，与主线程之间采用事件的线程同步方式，将数据读入计算机内存并保存。以下是线程函数中用于发送USB控制命令的控制传输代码：
   

4 实验调试与结果
    为验证设计的正确性，使用了周立功公司的USBCAN-I产品，与目标电路板组成双节点通信，2个节点设置相同波特率500 Kb／s(BTRO= 00，BTR1=1Ch)和相同帧格式，由测试软件ZLGCANTest发送一组数据(eOh，e1h，……，e7h)，上位机应用程序接收到的数据如图7所示。反过来由上位机应用程序注入指令数据e0h，a8h，周立功软件接收到的数据为e0h，a8h，00h，OOh……。经实验表明，数据收发正确，近距离通信时，通信速率可高达1 Mb／s。

5 结论
    使用该方法设计的CAN总线转换器优点在于：使用USB总线完成CAN总线与计算机的数据交换，不会影响CAN总线的整体通信速率；通过FPGA控制完成通信接口的设计，可扩展性好，灵活性强，稳定性高。作为空间相机下位机地检设备的一部分，FPGA同时还可以完成RS422等总线的通信控制。