基于Xilinx的A7系列FPGA的CAN總線協(xié)議開發(fā)

一、CAN總線協(xié)議介紹

CAN是 Controller Area Network 的縮寫（以下稱為 CAN ），是 ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議?？梢杂脕頋M足“多總線通信時(shí)，線束的數(shù)量過多”、“通過多個(gè) LAN ，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

CAN控制器根據(jù)兩根線上的電位差來判斷總線電平?？偩€電平分為顯性電平和隱性電平，二者必居其一。發(fā)送方通過使總線電平發(fā)生變化，將消息發(fā)送給接收方。
CAN協(xié)議具有以下特點(diǎn)：

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總線采用差分信號(hào)傳輸，通常情況下只需要兩根信號(hào)線就可以進(jìn)行正常的通信。在差分信號(hào)中，邏輯0和邏輯1是用兩根差分信號(hào)線的電壓差來表示。當(dāng)處于邏輯1，CAN_H和CAN_L的電壓差小于0.5V，稱為隱性電平（Recessive）；當(dāng)處于邏輯0，CAN_H和CAN_L的電壓差大于0.9V，稱為顯性電平（Dominant）。

CAN有四種幀類型：

◆ 數(shù)據(jù)幀：發(fā)送單元向接收單元傳送數(shù)據(jù)的幀
◆ 遠(yuǎn)程幀：總線單元發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請(qǐng)求發(fā)送具有同一識(shí)別符的數(shù)據(jù)幀
◆ 錯(cuò)誤幀：由檢測(cè)到錯(cuò)誤的任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送的幀
◆ 過載幀：在數(shù)據(jù)或遠(yuǎn)程幀之間注入延遲的幀

數(shù)據(jù)幀是唯一實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)的幀，結(jié)構(gòu)上由7個(gè)段組成，其中根據(jù)仲裁段ID碼長(zhǎng)度的不同，分為標(biāo)準(zhǔn)幀（CAN2.0A）和擴(kuò)展幀（CAN2.0B）：
? 標(biāo)準(zhǔn)幀格式：具有11個(gè)標(biāo)識(shí)符位
? 擴(kuò)展幀格式：具有29個(gè)標(biāo)識(shí)符位
標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的構(gòu)成如下圖所示：

數(shù)據(jù)幀一般由7個(gè)段構(gòu)成，即：
（1）幀起始：表示數(shù)據(jù)幀開始的段。
（2）仲裁段：表示該幀優(yōu)先級(jí)的段。
（3）控制段：表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)及保留位的段。
（4）數(shù)據(jù)段：數(shù)據(jù)的內(nèi)容，一幀可發(fā)送0~8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。
（5）CRC段：檢查幀的傳輸錯(cuò)誤的段。
（6）ACK段：表示確認(rèn)正常接收的段。
（7）幀結(jié)束：表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束的段。

二、xilinx Artix 7系列FPGA介紹

Artix7系列是7系列中的普通青年，相對(duì)Spartan7系列則增加了串行收發(fā)器和DSP功能，其邏輯容量也更大，適合邏輯一些稍微復(fù)雜的中低端應(yīng)用。

三、FPGA的相關(guān)設(shè)計(jì)介紹

設(shè)計(jì)思路一：在FPGA內(nèi)部編寫CAN通信控制器

采用這個(gè)設(shè)計(jì)方案，本質(zhì)上是在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)了一款CAN通信控制芯片。技術(shù)門檻較高。下面這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例仿照的是SJA1000 CAN通信控制器的工作流程，用Verilog語言完成了CAN控制接口的開發(fā)。

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。

網(wǎng)址一：基于FPGA的CAN總線控制器的設(shè)計(jì)（上） - 知乎 (zhihu.com)

網(wǎng)址二：基于FPGA的CAN總線控制器的設(shè)計(jì)（中） - 知乎 (zhihu.com)

網(wǎng)址三：基于FPGA的CAN總線控制器的設(shè)計(jì)（下） - 知乎 (zhihu.com)

上述資料是按照SJA1000 CAN通信控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)用FPGA進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)思路二：用FPGA通過串口或者SPI去配置外部的CAN控制器芯片實(shí)現(xiàn)通信。

這個(gè)設(shè)計(jì)方案一般用在單片機(jī)作主控的項(xiàng)目中，如果用FPGA作主控，有這么幾個(gè)缺點(diǎn)，成本高、硬件設(shè)計(jì)繁瑣、受限于控制芯片的性能和發(fā)揮不出FPGA的性能。

CAN通信控制芯片：

MCP2515（SPI通信）

SJA1000

CAN接口驅(qū)動(dòng)芯片：

TJA1050芯片引腳圖

常用的外設(shè)電路設(shè)計(jì)

如上圖所示，CAN_TX和CAN_RX接CAN通信控制芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片轉(zhuǎn)換后的信息流的處理。