一种基于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，E