基于FPGA和CAN总线的飞行模拟器通信接口设计

发送输出端TX0与接收输入端RX0分别经集成光电耦合器6N137，与总线收发器PCA82C250的TXD和RXD相连，PCA82C250的CANH、CANL端口直接与CAN物理总线相连。PCA82C250是CAN总线控制器和物理总线之间的接口，具有可向总线差动发送数据和从CAN总线控制器差动接收数据的功能。另外，SJA1000的RX1引脚与PCA82C250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。

2 软件系统设计

CAN总线节点的软件的设计主要是对FPGA进行编程，一方面对飞行模拟器各类接口数据的采集和输出，另一方面是对SJA1000的接口逻辑程序，来控制CAN总线的工作方式和工作状态，进行数据的发送和接收。这里主要介绍FPGA对总线控制器的程序设计，主要包括对SJA1000的初始化逻辑、数据发送逻辑和数据接收逻辑。由于SJA1000地址总线与数据总线复用，这就需要FPGA不仅要产生SJA1000读写控制引脚的信号逻辑，还需要产生对SJA1000的寻址信号，实际上是一个向SJA1000写地址的过程。因此设计的关键就是把SJA1000中的寄存器地址当成数据写入到SJA1000中，同时配合地址锁存信号ALE和写允许信号WR完成对SJA1000特定寄存器的命令字写入。

2.1 SJA1000初始化逻辑

初始化逻辑的主要功能是在系统上电或重启后，对SJA1000进行初始化，以确定工作主频、波特率、输出特性等。SJA1000支持两种模式，即BasicCAN模式和PeliCAN模式，BasicCAN模式是上电后默认的操作模式。SJA1000的初始化逻辑主要包括工作方式的设置、验收滤波方式的设置、验收屏蔽寄存器(AMR)和验收代码寄存器(ACH)的设置、中断允许寄存器(IER)的设置、总线定时寄存器(BTR0、BTR1)、输出控制寄存器(OCR)和时钟分频器(CDR)的设置等。在完成SJA1000的初始化设置以后，SJA1000就可以回到工作状态，进行正常的通信任务。

2.2 数据发送逻辑

数据发送逻辑需要FPGA通过模拟总线的方法对SJA1000进行控制，SJA1000的发送缓冲区的寄存器共有11个字节，其中前3个字节分别是帧信息字节和两个标识码，后8个字节是数据。发送时，用户需要将待发送的数据按特定的格式组合成一帧报文，送入SJA1000的发送缓冲区中，然后启动SJA1000发送即可。需要注意的是，在向SJA1000发送缓存区送报文之前，必须先判断发送缓冲区是否锁定，如果锁定则等待;判断上次发送是否完成，如未完成则需等待发送完成。总线控制器写周期的时序图如图2所示。

2.3 数据接收逻辑

与数据发送逻辑类似，从接收缓冲区中读取一条报文也需要连续读取11个字节，数据接收逻辑除了正常的报文数据接收，还要实现其他情况的处理。对接收缓冲区的数据读取完毕后要释放CAN接收缓冲区。图3所示为总线控制器读周期的时序图。

在FPGA程序编写时，采用状态机完成逻辑的设计，分别包括初始化状态、空闲状态、查询状态、数据接收状态、数据发送状态。

3 结论

在系统设计过程中，采用ALTERA公司的EP1C6型FPGA进行设计，在Quartus II环境中利用Verilog HDL编程产生SJA1000的片选信号、地址锁存信号以及读写信号等，这些信号共同驱动SJA1000完成数据的发送和接收。在采用FPGA实现对SJA1000的逻辑控制过程中，采用Quartus II中的SignalTap II Logic Analyzer工具对FPGA各接口信号进行了测量，经检查各种逻辑均符合SJA1000的接口时序要求。

基于FPGA的飞行模拟器通信接口设计主要由Verilog语言进行描述，易于修改和移植，同时由于FPGA的I/O丰富，还可以将模拟器中一些常用的开关量连接到FPGA上，这样就可以将多种功能集成在一个FPGA上，相较于采用单片机控制SJA1000实现CAN总线通信，本设计方案可扩展性好，稳定性高，能降低成本、系统体积及功耗，在飞行模拟器领域中具有广泛的应用前景。