基于FPGA的CAN總線控制器的設(shè)計(jì)

大俠好，歡迎來(lái)到FPGA技術(shù)江湖，江湖偌大，相見(jiàn)即是緣分。大俠可以關(guān)注FPGA技術(shù)江湖，在“闖蕩江湖”、"行俠仗義"欄里獲取其他感興趣的資源，或者一起煮酒言歡。

今天給大俠帶來(lái)基于FPGA的CAN總線控制器的設(shè)計(jì)，由于篇幅較長(zhǎng)，分三篇。今天帶來(lái)第一篇，上篇，CAN 總線協(xié)議解析以及CAN 通信控制器程序基本框架。話不多說(shuō)，上貨。

為了方便參考學(xué)習(xí)，后兩篇這里也放上超鏈接：

基于FPGA的CAN總線控制器的設(shè)計(jì)（中）

基于FPGA的CAN總線控制器的設(shè)計(jì)（下）

導(dǎo)讀

CAN 總線（Controller Area Network）是控制器局域網(wǎng)的簡(jiǎn)稱，是 20 世紀(jì) 80 年代初德國(guó) BOSCH 公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。目前，CAN 總線已經(jīng)被列入 ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，稱為 ISO11898。CAN 總線已經(jīng)成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信的主流技術(shù)之一。

CAN 總線作為數(shù)字式串行通信技術(shù)，與其他同類技術(shù)相比，在可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要特點(diǎn)如下：

CAN 總線是一種多主總線，總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。

CAN 總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可以不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省總線沖突的仲裁時(shí)間。即使在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。

CAN 總線的通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，選擇靈活。

CAN 總線的通信速率可達(dá) 1Mbit/s（此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為 40 米），通信距離最遠(yuǎn)可達(dá) 10km（速率在 5kbit/s 以下）。

CAN 總線上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同級(jí)別的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)可以在 134μs 內(nèi)得到傳輸。

CAN 總線通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送數(shù)據(jù)，無(wú)需專門的調(diào)度。

CAN 總線的數(shù)據(jù)采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯(cuò)效果。

CAN 總線采用 CRC 檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

CAN 總線上的器件可被置于無(wú)任何內(nèi)部活動(dòng)的睡眠方式，相當(dāng)于未連接到總線上，可以有效降低系統(tǒng)功耗。

CAN 總線上的節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。CAN 總線卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過(guò)程中監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來(lái)越受到工業(yè)界的重視，并被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。另外，CAN 總線協(xié)議已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)可，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價(jià)比高，特別適用于分布式測(cè)控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。

CAN 總線插卡可以任意插在 PC AT XT 兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。因此，用 FPGA 實(shí)現(xiàn) CAN 總線通信控制器具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。本篇將通過(guò)一個(gè)實(shí)例講解利用 FPGA 實(shí)現(xiàn) CAN 總線通信控制器的實(shí)現(xiàn)方法。

第一篇內(nèi)容摘要：本篇會(huì)介紹CAN 總線協(xié)議解析，包括CAN 總線通信模型、CAN 總線協(xié)議中的基本概念、報(bào)文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、位時(shí)序（Bit Timing）、同步（Synchronization）等相關(guān)內(nèi)容。還會(huì)介紹CAN 通信控制器程序基本框架，包括SJA1000CAN 通信控制器、CAN 通信控制器程序框架等相關(guān)內(nèi)容。

一、CAN 總線協(xié)議解析

在講解實(shí)現(xiàn) CAN 總線的實(shí)例以前，讀者需要具備有關(guān) CAN 總線的基本知識(shí)。為此，將在這里簡(jiǎn)要介紹與實(shí)例相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。

1.1 CAN 總線通信模型

參照 ISO/OSI 標(biāo)準(zhǔn)模型，CAN 總線的通信參考模型如圖 1 所示。

圖 1 CAN 總線通信模型

這 4 層結(jié)構(gòu)的功能如下：

? 物理層規(guī)定了節(jié)點(diǎn)的全部電氣特性，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)里，要實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸，所有節(jié)點(diǎn)的物理層必須是相同的。

? 傳輸層描述了 CAN 總線協(xié)議的內(nèi)核，它負(fù)責(zé)位時(shí)序（bit timing）、同步、仲裁、應(yīng)答、錯(cuò)誤探測(cè)等。

? 對(duì)象層負(fù)責(zé)報(bào)文的過(guò)濾、狀態(tài)和控制。

? 應(yīng)用層完成用戶指定的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

CAN 總線的物理層為數(shù)據(jù)通信提供了物理連接，而實(shí)際的數(shù)據(jù)通信在其他 3 層中完成。

1.2 CAN 總線協(xié)議中的基本概念

在講解 CAN 總線協(xié)議之前，需要介紹有關(guān)協(xié)議中的基本概念。

1．報(bào)文（Messages）

在 CAN 總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有固定的格式和有限的長(zhǎng)度，稱為報(bào)文。

2．發(fā)送器（Transmitter）和接收器（Receiver）

在 CAN 總線的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，發(fā)出報(bào)文的節(jié)點(diǎn)稱為發(fā)送器。節(jié)點(diǎn)在總線進(jìn)入空閑狀態(tài)前或丟失仲裁前為發(fā)送器。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)不是報(bào)文發(fā)送器，并且總線不處于空閑狀態(tài)，則該節(jié)點(diǎn)為接收器。

3．比特率（bit rate）

CAN 總線的輸出速度以單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)奈粊?lái)衡量，稱為比特率。CAN 總線在不同的系統(tǒng)中可以有不同的比特率。但是在給定的系統(tǒng)中，比特率是統(tǒng)一的和固定的。

4．優(yōu)先級(jí)（Priorities）

優(yōu)先級(jí)表示總線傳輸中一個(gè)報(bào)文的優(yōu)先級(jí)別。

5．遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求（Remote Data Request）

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，需要首先發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀（Remote Frame），然后發(fā)送一個(gè)和遠(yuǎn)程幀相符的數(shù)據(jù)幀（Data Frame）。遠(yuǎn)程幀和數(shù)據(jù)幀具有相同的標(biāo)識(shí)符。

6．位流（Bit Stream）

CAN 總線通信過(guò)程中的數(shù)據(jù)流。

7．編碼方式CAN 總線通信協(xié)議規(guī)定，報(bào)文中的位流按照非歸零（Non-Return to Zero）碼的方法編碼，一個(gè)完整的電平要么是顯性，要么是隱性。

8．非歸零編碼（Non-Return to Zero encoding，簡(jiǎn)稱 NRZ）

非歸零編碼是一種用在低速通信接口中的編碼方式，同時(shí)提供同步和非同步兩種方式。在非歸零編碼方式中，邏輯“1”在傳輸過(guò)程中用一位高電平表示，邏輯“0”用一位低電平表示。非歸零編碼方式如圖 2 所示。

圖 2 非歸零編碼方式

9．總線數(shù)值

在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，CAN 總線有兩種邏輯值：顯性值（dominant）和隱性值（recessive）。如果同時(shí)傳輸顯性值和隱性值時(shí)，總線上的最終結(jié)果是顯性值。在線與（wired-AND）總線連接方式中，顯性值用邏輯“0”表示，隱性值用邏輯“1”表示。

1.3報(bào)文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

CAN 總線的報(bào)文傳輸是通過(guò) 4 種不同類型的幀（Frame）來(lái)表示和控制的：

? 數(shù)據(jù)幀（Data Frame） 用來(lái)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中攜帶數(shù)據(jù)。

? 遠(yuǎn)程幀（Remoter Frame） 接收器發(fā)送遠(yuǎn)程幀來(lái)請(qǐng)求發(fā)送器發(fā)送數(shù)據(jù)，具有和數(shù)據(jù)幀同樣的標(biāo)識(shí)符。

? 出錯(cuò)幀（Error Frame） 用來(lái)檢測(cè) CAN 總線數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的錯(cuò)誤。

? 超載幀（Overload Frame） 用于提供當(dāng)前和后續(xù)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間的附加延遲。

a．?dāng)?shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀的具體組成如圖 3 所示。

圖 3 數(shù)據(jù)幀的具體組成

數(shù)據(jù)幀由幀起始（Start of Frame，SOF）、仲裁字段、控制字段、數(shù)據(jù)字段、CRC 字段、ACK 字段（應(yīng)答字段）和幀尾組成。

幀起始標(biāo)志數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始（遠(yuǎn)程幀同樣具有幀起始），它僅由一個(gè)顯性值組成。只有在總線處于空閑時(shí)，才允許節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送。所有節(jié)點(diǎn)必須與首先開(kāi)始發(fā)送的那個(gè)節(jié)點(diǎn)的幀起始位前沿同步。

仲裁字段由標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位（RTR 位）組成，如圖 4 所示。標(biāo)識(shí)符的長(zhǎng)度為 11位。遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位在數(shù)據(jù)幀中必須是顯性值，在遠(yuǎn)程幀中必須是隱性值。

圖 4 仲裁字段的組成

控制字段由保留位和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼組成，如圖 5 所示。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼表示數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度。

圖 5 控制字段的組成

數(shù)據(jù)字段由數(shù)據(jù)幀中被發(fā)送的數(shù)據(jù)組成，它可以包括 0～8 個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié) 8 位。首先發(fā)送的是最高有效位。

CRC 字段包括 CRC 序列和 CRC 界定符。CRC 序列用來(lái)實(shí)現(xiàn) CRC 計(jì)算，CRC 界定符只包括一個(gè)隱性值。應(yīng)答字段為兩位，包括應(yīng)答間隙和應(yīng)答界定符。幀尾由 7 個(gè)連續(xù)的隱性值組成，作為數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的結(jié)束標(biāo)志。

b．遠(yuǎn)程幀

作為接收器的節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)向相應(yīng)的數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀來(lái)激活該節(jié)點(diǎn)，讓它把數(shù)據(jù)發(fā)送給接收器。遠(yuǎn)程幀由幀起始、仲裁字段、控制字段、CRC 字段、應(yīng)答字段和幀尾 6 個(gè)不同的字段組成。遠(yuǎn)程幀的組成如圖 6 所示。

圖 6 遠(yuǎn)程幀的組成

c．出錯(cuò)幀

出錯(cuò)幀由出錯(cuò)疊加標(biāo)志和錯(cuò)誤界定符組成。出錯(cuò)疊加標(biāo)志包括了多個(gè)出錯(cuò)信息的標(biāo)志。

d．超載幀

超載幀包括超載標(biāo)志和超載界定符。超載發(fā)生在兩種情況下：一個(gè)是接收器因內(nèi)部條件要求推遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或者遠(yuǎn)程幀的發(fā)送；另一個(gè)是在間歇字段檢測(cè)到顯性值時(shí)。

e．幀間空間

數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀通過(guò)幀間空間與前一幀隔開(kāi)，而不管前一幀是何種類型的幀。而在超載幀與出錯(cuò)幀前面不需要幀間空間，多個(gè)超載幀之間也不需要幀間空間來(lái)作分隔。

1.4位時(shí)序（Bit Timing）

CAN 總線協(xié)議規(guī)定，報(bào)文傳輸?shù)耐交蛘叻峭椒绞降倪x擇通過(guò)位時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn)。CAN 總線中位時(shí)序包括正常位速率和正常位時(shí)間兩個(gè)參數(shù)。

? 正常位速率（Nominal Bit Rate）：在非重同步情況下，借助理想發(fā)送器每秒發(fā)送的位數(shù)。

? 正常位時(shí)間（Nominal Bit Time）：正常位速率的倒數(shù)。正常位時(shí)間由幾個(gè)不同的時(shí)間段組成，它們是同步段（SYNC_SEG）、傳播段（PROP_SEG）、相位緩沖段 1（PHASE_SEG1）、相位緩沖段 2（PHASE_SEG2），如圖 7 所示。

圖 7 正常位時(shí)間的組成

? 同步段：在這段時(shí)間內(nèi)，完成總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的同步，需要一個(gè)跳變沿。

? 傳播段：這個(gè)時(shí)間段是指網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)难舆t時(shí)間，它是信號(hào)在總線上傳播時(shí)間、輸入比較器延遲和輸出驅(qū)動(dòng)器延遲之和的兩倍。

? 相位緩沖段 1 和相位緩沖段 2：它們用于彌補(bǔ)跳變沿的相位誤差造成的影響。通過(guò)重同步，這兩個(gè)時(shí)間段可以被延長(zhǎng)或縮短。

? 采樣點(diǎn)：這是讀取總線電平并理解該位數(shù)值的時(shí)刻，它位于相位緩沖段 1 的終點(diǎn)。

1.5同步（Synchronization）

a．硬同步（Hard Synchronization）

硬同步后，內(nèi)部位時(shí)間從同步段（SYNC_SEG）重新開(kāi)始，它迫使觸發(fā)該硬同步的跳變沿處于新的位時(shí)間的同步段（SYNC_SEG）之內(nèi)。

b．重同步（Resynchronization）

當(dāng)引起重同步沿的相位誤差小于或等于重同步跳轉(zhuǎn)寬度編程值時(shí)，重同步的作用和硬同步相同。若相位誤差大于重同步跳轉(zhuǎn)寬度且相位誤差為正時(shí)，則相位緩沖段 1（PHASE_SEG1）延長(zhǎng)總數(shù)為重同步跳轉(zhuǎn)寬度。若相位誤差大于重同步跳轉(zhuǎn)寬度且相位誤差為負(fù)時(shí)，則相位緩沖段2（PHASE_SEG2）縮短總數(shù)為重同步跳轉(zhuǎn)寬度。

c．重同步跳轉(zhuǎn)寬度（Resynchronization Jump Width）

由于重同步的結(jié)果，PHASE_SEG1 可被延長(zhǎng)或 PHASE_SEG2 可被縮短。相位緩沖段長(zhǎng)度的改變量不應(yīng)大于重同步跳轉(zhuǎn)寬度。

d．同步的規(guī)則CAN

通信協(xié)議規(guī)定，同步包括硬同步和重同步兩種形式。它們遵從下列幾條規(guī)則：

在一個(gè)位時(shí)間內(nèi)僅允許一種同步。

對(duì)于一個(gè)跳變沿，僅當(dāng)它前面的第一個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)值與緊跟該跳變沿之后的總線值不相同時(shí)，才把該跳變沿用于同步。

在總線空閑期間，若出現(xiàn)一個(gè)從隱性值到顯性值的跳變沿，則執(zhí)行一次硬同步。

符合規(guī)則前兩條規(guī)則的從隱性值到顯性值的跳變沿都被用于重同步（在低比特率時(shí)也可選擇從顯性值到隱性值的跳變沿），例外的情況是具有正相位誤差的隱性值到顯性值的跳變沿將不會(huì)導(dǎo)致重同步。

二、CAN 通信控制器程序基本框架

CAN 總線的通信協(xié)議由 CAN 通信控制器完成。CAN 通信控制器由實(shí)現(xiàn) CAN 總線協(xié)議部分和微控制器部分的電路組成。下面將通過(guò)一個(gè)實(shí)例講解如何用 FPGA 實(shí)現(xiàn) CAN 通信控制器的功能。這個(gè)實(shí)例從功能和結(jié)構(gòu)上完全參照 SJA 1000 CAN 通信控制器。

2.1 SJA1000CAN 通信控制器

SJA1000 是 Philips 公司于 1997 年推出的一種獨(dú)立 CAN 總線控制器。它實(shí)現(xiàn)了 CAN 總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。SJA 1000 通信控制器的功能框圖如圖 8 所示。

SJA 1000 主要由以下幾部分構(gòu)成：

? 接口管理邏輯 處理來(lái)自主 CPU 的命令，控制 CAN 寄存器的尋址，并為主 CPU 提供中斷和狀態(tài)信息。

? 發(fā)送緩沖器 它是 CPU 和位數(shù)據(jù)流處理器（BSP）之間的接口，能存儲(chǔ)一條可發(fā)送到 CAN總線上的完整報(bào)文。報(bào)文由 CPU 寫入，由位數(shù)據(jù)流處理器讀出。

圖 8 SJA1000 通信控制器功能框圖

? 接收緩沖器 它是接收 FIFO 的一個(gè)可被 CPU 訪問(wèn)的窗口。在接收 FIFO 的支持下，CPU可以在處理當(dāng)前信息的同時(shí)接收總線上的其他信息。

? 接收濾波器 它把收到的報(bào)文標(biāo)識(shí)符和接收濾波器寄存器中的內(nèi)容進(jìn)行比較，以判斷該報(bào)文是否應(yīng)該被接收。如果符合接收條件，則報(bào)文被存入接收 FIFO 中。

? 位數(shù)據(jù)流處理器 它是一個(gè)序列發(fā)生器，控制發(fā)送緩沖器、接收 FIFO 和 CAN 總線之間的數(shù)據(jù)流，同時(shí)它也執(zhí)行錯(cuò)誤檢測(cè)、仲裁、位填充和 CAN 總線錯(cuò)誤處理功能。

? 位時(shí)序邏輯 它監(jiān)視串行 CAN 總線并處理與總線相關(guān)的位時(shí)序。它在報(bào)文開(kāi)始發(fā)送，總線電平從隱性值跳變到顯性值時(shí)同步于 CAN 總線上的位數(shù)據(jù)流（硬同步），并在該報(bào)文的傳送過(guò)程中，每遇到一次從隱性值到顯性值的跳變沿就進(jìn)行一次重同步（軟同步）。位時(shí)序邏輯還提供可編程的時(shí)間段來(lái)補(bǔ)償傳播延遲時(shí)間和相位漂移（如晶振導(dǎo)致的漂移），還能定義采樣點(diǎn)以及每一個(gè)位時(shí)間內(nèi)的采樣次數(shù)。

? 錯(cuò)誤管理邏輯 它按照 CAN 協(xié)議完成傳輸錯(cuò)誤界定。它接收來(lái)自位數(shù)據(jù)流處理器 BSP 的出錯(cuò)通知，并向位數(shù)據(jù)流處理器 BSP 和接口管理邏輯提供出錯(cuò)統(tǒng)計(jì)。

2.2 CAN 通信控制器程序框架

實(shí)現(xiàn)的 CAN 通信控制器參照 SJA1000 CAN 通信控制器的結(jié)構(gòu)，程序基本框架如圖 9 所示。

圖 9 CAN 通信控制器結(jié)構(gòu)框圖

本篇到此結(jié)束，下一篇帶來(lái)基于FPGA的CAN總線控制器的設(shè)計(jì)（中），會(huì)介紹CAN 通信控制器的具體實(shí)現(xiàn)，包括頂層控制程序、寄存器控制、位時(shí)序邏輯（Bit Timing Logic）、位數(shù)據(jù)流處理器（BitStream Processor）、CRC 校驗(yàn) 、FIFO等相關(guān)內(nèi)容。

審核編輯：湯梓紅