基于FPGA的CAN总线控制器SJA1000软核的设计

摘要：分析了CAN控制器SJA1000的特点及CAN协议通信格式。设计了控制器SJA1000的IP软核，能为应用提供一个性能优良的、易于移植的控制器SJA1000，实现了对步进电机的控制。
关键词：FPGA；CAN控制器；SJA1000

    控制局域网(CAN)属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信可靠性、实时性和灵活性好，应用领域非常广泛，通常基于ARM或51单片机，实现与CAN控制器的通信联络。FPGA／SOPC技术是实现嵌入式系统的最高形式，基于IP软核的设计与应用也必将成为替代硬核的一种发展趋势。凭借QuartuslI和NiosII工具，基于FPGA的VHDL(或Verilog)语言设计的IP核能够提供灵活性和性能更好的控制器。
    图1为一个基于FPGA的控制器的CAN总线节点。其中PCA82C251是CAN总线接收器，SJA1000是CAN总线通信控制器，PMM8713是驱动步进电机的脉冲分配器，FPGA模块在节点模型中对SJA1000进行控制，并将接收到的帧信息进行处理，发送给脉冲分配器，以驱动步进电机。

    在设计中采用自顶向下的设计方法。通过分析SJA1000常用的控制芯片51单片机的功能，将其分为主要的4个模块：初始化模块、位查询模块、数据处理模块和缓冲区释放模块。
    对SJA1000完成控制功能的过程用状态图描述如图2所示，这也是系统的主状态机。4个状态对应上述的4个功能模块，首先在initial_st-ate完成对sJA1000的初始化，在由init_end信号给出初始化完成标志后，进入查询状态，即query_RBS状态，由位查询模块完成此时对SJA100 0的状态查询。如果查询到SJA1000缓冲区有帧信息，将qRBS_end置“1”，进入下一个状态frame_cope，即帧处理状态，此时由数据处理模块完成对缓冲区的数据读取，并作处理。在读取完一帧数据后，需要释放缓冲区，为下一帧信息的接收做准备。此时状态转入了release_buff-er，对应功能模块中的缓冲区释放模块，此状态结束后又转入位查询状态，为下一帧信息接收做准备。

    初始化模块主要在系统上电或重启后，先对SJA1000进行初始化；位查询模块是在初始化完成后，对SJA1000状态寄存器的接收缓冲区标志位不断进行查询，如果在缓冲区收到一帧信息后，则转入数据处理模块，否则继续进行查询；数据处理模块则是在查询到接收缓冲区有数据后，读入帧数据，并对帧数据进行处理；缓冲区释放模块是在一帧信息处理完毕后，释放缓冲区空间。
    除了上述4个功能模块之外，还需要读写模块、双端口模块、模块接口控制逻辑等。

1 读写模块
    由SJA1000的数据手册可知，SJA1000提供的微处理器接口信号有地址数据复用总线AD0～AD7、地址锁存信号ALE、片选信号、读写使能信号和、以及复位信号。
    SJA1000的数据信号和地址信号是时分复用的，而FPGA中不存在地址的概念，对于FPGA来说，输出的只有数据。因此设计的关键就是把S-JA1000中的寄存器地址当成数据写入到SJA1000中，配合地址锁存信号ALE和写允许信号完成对SJA1000特定寄存器的命令字写入。读写使能信号是、以及复位信号。设计的关键就是把SJA1000中的寄存器地址当成数据写入到SJA1000中，配合地址锁存信号ALE和写允许信号完成对SJA1000特定寄存器的命令字写入。与写操作相似，只需严格按照时序，将ALE、、、引脚的电平互相配合置高或置低，即可完成读操作。读写周期时序图如图3和图4所示。

    设计时采用状态机的形式，由读写时序图可以看到，与SJA1000读写相关的控制信号有ALE、、、。无论读写，都必须先输出地址，由接口控制逻辑模块输入地址。AD[7．．0]是数据双向流通的，由双端口模块组成，读写模块与之相接口，输入、输出设计分开。读写模块在与接口控制逻辑接口模块相连接时，输出的数据与输入的数据也设计分开。同样读写模块的开启信号与读／写选择信号也由接口控制逻辑给出。由QuartuslI生成的读写模块如图5所示。

    在IDLE状态等待，当4个功能模块中需要使用读写功能时，由接口控制模块控制使该功能模块与读写模块连接，相应的功能模块输出地址到读写模块，接口控制模块配合给出读写选择信号，然后进入address状态，输出地址到SJA1000，判断读写选择信号后，进入读状态或者写状态。在读写子状态只需按照时序图输出ale、cs、wr、rd的值即可，标志信号w_ok表示一次读／写完成。
    在SJA1000的读写过程中，对各个信号的持续时间有着严格的要求。以读操作为例，信号的有效持续时间必须最大为50 ns，因此在设计中，信号保持低电平的时间可以比这个时间长。

2 接口控制逻辑模块
    接口控制逻辑是本系统的核心模块，它与4个功能模块、读写模块相连接，由一个状态机组成，即系统的主状态机。在状态机的不同状态中，控制读写状态机与对应的功能模块相连接，3个模块互相配合完成一项功能。QuartuslI生成的模块图如6所示。

    每一个功能模块都有对应的接口信号，而data_in_infer、addr_out_infer、data_in_infer、w_ok_in、r_ok_in是读写模块的信号接口。
    需要注意的是，本系统中使用了主从状态机，即状态机的嵌套。在主状态进入初始化状态机后，立即给出一个enable信号，启动从状态机，并设置一个从状态机的完成信号finish(高电平有效)，且初始值为低，然后在主状态机不停的检测finish信号，如果finish为高，则进入下一个状态，查询状态。而在从状态机中，则不停地检测enable信号，如果为高，则开始工作，当完成从状态机后，将finish信号置高。如此就完成了主从状态机的互动。接口控制逻辑模块中的start、end信号即为系统主从状态机互动信号。

3 初始化模块
    初始化模块的功能是完成SJA1000的初始化。CAN2．0B规范允许SJA1000工作在两种模式，即BasicCAN模式和PeliCAN模式，上电默认为BasicCAN模式。在两种模式下都需要对SJA1000的模式寄存器CR、验收码寄存器ACR、验收屏蔽寄存器AMR、总线定时寄存器BTR0、BTR1和输出控制寄存器OCR写入控制命令。
    在本设计中，借用ROM的思想，将需要读写的寄存器地址和数据统一编码，固化存储起来，对SJA1000进行读写时，只需要按照一定的顺序读出数据和地址，输出到即可。

4 位查询模块
    位查询模块主要功能是在SJA1000转入工作模式后能够读取存在接受缓冲区RXFIFO的帧信息，在本设计中读取帧信息采用了查询方式，即不停地查询SJA1000状态寄存器SR的RBS位，如果查询到RBS位为“1”，即表明接收缓冲区满，RXFIFO中有可用信息，此时将转入数据处理模块，由数据处理模块进行数据读入，并进行处理。在查询过程中，对SJA1000的状态寄存器进行了读操作。

5 数据处理模块
    数据处理模块功能是从SJA1000的缓冲区读入数据，并作处理。在读入数据时，只需将输出的地址定位到SJA1000接收缓冲区的数据场依次将数据从缓冲区读入即可。在CAN总线的通信中，发送的为帧信息，其数据帧结构如图7所示。

    在对数据进行处理时，前16位为ID，有用的数据是在帧中的数据场(Data Field)中，因此只需略过前16位，对后面最多8个字节的数据进行处理，分配到步进电机的引脚上即可。

6 缓冲区释放模块与双端口模块
    在缓冲区的数据被读入后，需要对缓冲区的数据清零，为后续的数据读入做准备。本质上仍是对SJA1000的命令寄存器(CMR)写操作。在状态寄存器与接收缓冲区相关的位为RRB，置1即可释放缓冲区，这样就会导致接收缓冲区内的另一条信息立即有效，从而进入下一帧数据的数据查询、处理过程。
    在本设计中，输出的数据引脚为双向引脚，设计成三态输出，这是因为双向端口在完成输入功能时，必须使端口处于高阻态，否则外部数据不能正确读入。
    其设计关键在于，实体部分必须对端口属性进行申明，端口属性必须为inout类型，在构造体对输出信号进行有条件的高阻控制。

结语
    CAN总线接口控制器由VHDL语言描述，易于修改和移植，可以将几个软核集成到一个FPGA芯片上去，具有单片机所没有的优势，在汽车领域具有良好的应用前景。